10 mistérios do espaço-tempo que a gravidade quântica poderia resolver
A gravidade quântica tenta combinar a teoria geral da relatividade de Einstein com a mecânica quântica. As correções quânticas à gravidade clássica são visualizadas como diagramas de loop, como o mostrado aqui em branco. Crédito da imagem: SLAC National Accelerator Lab.
Há muitas perguntas para as quais não sabemos a resposta. Com a gravidade quântica, eles podem ser resolvidos!
Este artigo é escrito por Sabine Hossenfelder. Sabine é uma física teórica especializada em gravidade quântica e física de alta energia. Ela também escreve freelance sobre ciência.
A teoria da relatividade geral de Einstein, onde a gravidade é causada pela curvatura do espaço-tempo, é incrível. Foi confirmado com um incrível nível de precisão, chegando a quinze algarismos significativos em alguns casos. Uma de suas previsões mais surpreendentes é a existência de ondas gravitacionais: pequenas perturbações no espaço-tempo que viajam livremente. Essas mesmas ondas agora são detectadas regularmente pelos experimentos LIGO/VIRGO.
Mas sabemos que a relatividade geral é incompleta. Funciona bem quando os efeitos quânticos do espaço-tempo são pequenos, o que quase sempre acontece. Mas quando os efeitos quânticos do espaço-tempo se tornam grandes, precisamos de uma teoria melhor: uma teoria da gravidade quântica.
Uma ilustração do Universo primitivo como consistindo de espuma quântica, onde as flutuações quânticas são grandes, variadas e importantes nas menores escalas. Crédito da imagem: NASA/CXC/M.Weiss.
Como ainda não conhecemos a teoria da gravidade quântica, não sabemos realmente o que são o espaço e o tempo. Temos várias teorias candidatas para a gravidade quântica, mas nenhuma delas é geralmente aceita. No entanto, com base nas abordagens existentes, podemos especular o que pode acontecer com o espaço e o tempo em uma teoria da gravidade quântica. Aqui, eu coletei as dez especulações mais incompreensíveis para você:
1.) Na gravidade quântica, esperamos que o espaço-tempo flutue descontroladamente mesmo na ausência de matéria. No mundo quântico, o vácuo nunca descansa, nem o espaço e o tempo.
Nas menores escalas quânticas, o Universo pode estar cheio de buracos negros minúsculos, microscópicos e de baixa massa. Esses buracos podem se conectar ou se estender para dentro de maneiras muito interessantes. Crédito da imagem: NASA.
2.) O espaço-tempo quântico pode estar cheio de buracos negros microscópicos. Mais estranho ainda, pode ter buracos de minhoca ou dar origem a universos bebês, que são pequenas bolhas que se separam do universo mãe.
3.) E como esta é uma teoria quântica, o espaço-tempo poderia fazer todas essas coisas simultaneamente! Poderia criar um universo bebê e não criar um ao mesmo tempo.
O tecido do espaço-tempo pode não ser um tecido, mas pode ser feito de componentes discretos que só aparecem como um tecido contínuo para nós em escalas macroscópicas maiores.
4.) Na maioria das abordagens da gravidade quântica, o espaço-tempo não é fundamental, mas feito de outra coisa. Isso pode ser strings, loops, qbits ou alguma variante de átomos de espaço-tempo que aparecem em abordagens baseadas em matéria condensada. Os constituintes individuais, no entanto, só podem ser resolvidos quando sondados com energias extremamente altas, muito além do que podemos alcançar na Terra.
5.) Em algumas das abordagens baseadas em matéria condensada, o espaço-tempo tem propriedades como um sólido ou um fluido, de modo que pode ser elástico ou ter viscosidade . Se for assim, isso pode levar a consequências observáveis. Os físicos atualmente procuram esses efeitos estudando partículas mensageiras, por exemplo, luz ou elétrons, que nos alcançam de longe no cosmos.
Animação esquemática de um feixe contínuo de luz sendo disperso por um prisma. Em algumas ideias que são relevantes para a gravidade quântica, o próprio espaço pode atuar como um meio dispersivo para vários comprimentos de onda de luz. Crédito da imagem: LucasVB / Wikimedia Commons.
6.) O espaço-tempo pode afetar como a luz viaja através dele. Pode não ser totalmente transparente, ou a luz de cores diferentes pode viajar em velocidades diferentes, um efeito conhecido como dispersão. Se o espaço-tempo quântico influencia a propagação da luz, isso também pode ser observável em experimentos futuros.
7.) As flutuações do espaço-tempo podem destruir a capacidade da luz de fontes distantes de criar padrões de interferência. Este efeito foi procurado e não encontrado , pelo menos não tão longe e não na faixa visível.
A luz, seja passando por duas fendas grossas (superior), duas fendas finas (meio) ou uma fenda grossa (inferior), exibe evidências de interferência, apontando para uma natureza ondulatória. Mas na gravidade quântica, algumas propriedades de interferência esperadas podem ser impossíveis. Crédito da imagem: Benjamin Crowell.
8.) Em regiões de forte curvatura, o tempo pode se transformar em espaço . Isso pode acontecer, por exemplo, dentro de buracos negros ou no big bang. Nesse caso, o que hoje conhecemos como espaço-tempo com três dimensões de espaço e uma dimensão de tempo pode se transformar em um espaço euclidiano de quatro dimensões.
Conectar dois locais distintos no espaço ou no tempo por meio de um buraco de minhoca continua sendo apenas uma ideia teórica, mas é uma possibilidade intrigante que pode não apenas ser importante, mas também uma inevitabilidade na gravidade quântica. Crédito da imagem: usuário do Wikimedia Commons Kes47.
9.) O espaço-tempo pode ser conectado não localmente com pequenos atalhos que se estendem por todo o universo. Essas conexões não locais devem existir em todas as abordagens cuja estrutura subjacente seja não geométrica, como um gráfico ou uma rede. Isso porque, nesses casos, a noção de proximidade não é fundamental, mas apenas derivada, devendo ser imperfeita para que, às vezes, lugares muito distantes sejam ligados por acidente.
O Four Qubit Square Circuit da IBM, um avanço pioneiro em computação, pode levar a computadores poderosos o suficiente para simular um universo inteiro. Mas o campo da computação quântica ainda está em sua infância. Crédito da imagem: pesquisa da IBM.
10.) Pode ser que para combinar a teoria quântica com a gravidade, não tenhamos que atualizar a gravidade, mas a própria teoria quântica. Se for assim, as consequências podem ser de longo alcance. Como a teoria quântica está subjacente a todos os dispositivos eletrônicos e, se tiver que ser alterada, isso pode abrir possibilidades inteiramente novas.
https://www.youtube.com/watch?v=Abcaz_sJPHw
Embora a gravidade quântica seja frequentemente vista como uma ideia teórica remota, existem muitos caminhos possíveis para colocá-la em um teste observacional ou experimental. Algumas restrições importantes já foram obtidas ao fazer essas mesmas observações e medições. Todos nós viajamos pelo espaço-tempo todos os dias. Compreender isso pode mudar nossas vidas.
Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium graças aos nossos apoiadores do Patreon . Ethan é autor de dois livros, Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .
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