O espaço e o tempo são quantizados? Talvez não, diz a ciência

Frequentemente visualizamos o espaço como uma grade 3D, mesmo que isso seja uma simplificação excessiva dependente do quadro quando consideramos o conceito de espaço-tempo. A questão se o espaço e o tempo são discretos ou contínuos, e se há uma escala de comprimento menor possível, ainda não foi respondida. (ReunMedia / Storyblocks)

Na busca por verdades fundamentais em nosso Universo, uma das maiores questões, sejam espaço e tempo contínuos ou discretos, permanece sem resposta.


Ao longo da história da ciência, um dos principais objetivos de dar sentido ao Universo tem sido descobrir o que é fundamental. Muitas das coisas que observamos e com as quais interagimos no mundo macroscópico moderno são compostas e podem ser derivadas de partículas menores e das leis subjacentes que as governam. A ideia de que tudo é feito de elementos remonta a milhares de anos e nos levou da alquimia à química, de átomos a partículas subatômicas, ao Modelo Padrão, incluindo o conceito radical de um Universo quântico.



Mas mesmo que haja evidências muito boas de que todas as entidades fundamentais do Universo são quânticas em algum nível, isso não significa que tudo seja discreto e quantizado. Enquanto ainda não entendermos completamente a gravidade em um nível quântico, o espaço e o tempo ainda podem ser contínuos em um nível fundamental. Aqui está o que sabemos até agora.



Todas as partículas sem massa viajam na velocidade da luz, incluindo o fóton, glúon e ondas gravitacionais, que carregam as interações eletromagnética, nuclear forte e gravitacional, respectivamente. Podemos tratar cada quantum de energia como discreto, mas não sabemos se podemos fazer o mesmo para o espaço e/ou o próprio tempo. (NASA/Sonoma State University/Aurore Simonnet)

A mecânica quântica é a ideia de que, se você descer a uma escala suficientemente pequena, tudo o que contém energia, seja ela massiva (como um elétron) ou sem massa (como um fóton), pode ser dividida em quanta individuais. Você pode pensar nesses quanta como pacotes de energia, que às vezes se comportam como partículas e outras como ondas, dependendo do que interagem.



Tudo na natureza obedece às leis da física quântica, e nossas leis clássicas que se aplicam a sistemas maiores e mais macroscópicos podem sempre (pelo menos em teoria) ser derivadas ou emergir das regras quânticas mais fundamentais. Mas nem tudo é necessariamente discreto, ou capaz de ser dividido em um espaço de região localizado.

As diferenças de nível de energia em Lutécio-177. Observe como existem apenas níveis de energia específicos e discretos que são aceitáveis. Enquanto os níveis de energia são discretos, as posições dos elétrons não são. (M.S. Litz e G. Merkel Army Research Laboratory, SEDD, DEPG Adelphi, MD)

Se você tem uma banda condutora de metal, por exemplo, e pergunta onde está esse elétron que ocupa a banda, não há discrição ali. O elétron pode estar em qualquer lugar, continuamente, dentro da banda. Um fóton livre pode ter qualquer comprimento de onda e energia; nenhuma discrição lá. Só porque algo é quantizado, ou fundamentalmente quântico por natureza, não significa que tudo sobre ele deve ser discreto.



A ideia de que o espaço (ou espaço e tempo, uma vez que estão inextricavelmente ligados pelas teorias da relatividade de Einstein) poderia ser quantizado remonta ao próprio Heisenberg. Famoso pelo Princípio da Incerteza, que fundamentalmente limita a precisão com que podemos medir certos pares de quantidades (como posição e momento), Heisenberg percebeu que certas quantidades divergiam, ou iam ao infinito, quando você tentava calculá-las na teoria quântica de campos.

Este diagrama ilustra a relação de incerteza inerente entre posição e momento. Quando um é conhecido com mais precisão, o outro é inerentemente menos capaz de ser conhecido com precisão. (Usuário do Wikimedia Commons Maschen)

Ele notou que se você postulasse uma escala de distância mínima para o espaço, por outro lado, esses infinitos desapareceriam. Em matemática/física, a teoria tornou-se renormalizável, o que significa que podemos calcular as coisas de forma sensata.



Você pode ter uma compreensão intuitiva disso imaginando que tem uma partícula quântica que colocou em uma caixa. Onde está a partícula, você pergunta? Bem, você pode fazer uma medição e terá uma incerteza associada a ela: a incerteza será proporcional a h / L , Onde h é a constante de Planck e eu é o tamanho da caixa.

Se você confinar uma partícula em um espaço e tentar medir suas propriedades, haverá efeitos quânticos proporcionais à constante de Planck e ao tamanho da caixa. Se a caixa for muito pequena, abaixo de uma certa escala de comprimento, essas propriedades tornam-se impossíveis de calcular. (Andy Nguyen / UT-Medical School em Houston)



Normalmente, a parte de incerteza ( h / L ) é pequeno em comparação com a parte principal em si, mas não será o caso se eu é muito pequeno. De fato, se for, então adicionando termos adicionais que normalmente negligenciamos, como ( h / L )², obteremos uma correção ainda maior. É por isso que é tentador introduzir uma escala de corte, ou uma eu que não nos permitimos ser menores do que. Essa escala de distância mínima pode nos poupar muitas dores de cabeça na física quântica.

Quando você leva em conta até mesmo a gravidade não quantizada, como mostrado pelo físico Alden Mead na década de 1960, você descobre que a gravidade amplifica a incerteza inerente à posição, conforme estabelecido por Heisenberg. Torna-se impossível entender as distâncias abaixo de uma escala de comprimento conhecida como comprimento de Planck: 10^-35 metros. Esse argumento surgiu em uma nova encarnação, nas teorias das cordas, desde a década de 1990.

Os objetos com os quais interagimos no Universo variam de escalas cósmicas muito grandes até cerca de 10^-19 metros, com o mais novo recorde estabelecido pelo LHC. Há um longo, longo caminho até a escala de Planck, no entanto. (Universidade de Nova Gales do Sul / Escola de Física)

Mas não temos uma teoria final da gravidade e, portanto, não sabemos se esse problema é real, insuperável, que necessariamente implica que o espaço é discreto. A dificuldade original de Heisenberg surgiu quando ele tentou renormalizar a teoria do decaimento beta de Fermi; não poderia funcionar sem uma escala de comprimento mínimo. Mas desde o nosso desenvolvimento da teoria eletrofraca e do Modelo Padrão, não precisamos mais de uma escala discreta de comprimento mínimo para lidar com o decaimento radioativo. Uma teoria melhor pode funcionar muito bem sem ela.

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. Se o espaço (ou o tempo) em si é discreto ou contínuo ainda não está decidido. (Laboratório Acelerador Nacional SLAC)

Então, onde estamos agora na questão de se o espaço e o tempo são quantizados? Temos três possibilidades principais, todas com implicações fascinantes.

1.) Espaço e/ou tempo são discretos . Imagine que há uma escala de comprimento mais curta possível. O que agora? Há um problema: na teoria da relatividade de Einstein, você pode colocar uma régua imaginária, em qualquer lugar, e ela parecerá encurtar com base na velocidade com que você se move em relação a ela. Se o espaço fosse quantizado, as pessoas se movendo em velocidades diferentes mediriam uma escala de comprimento fundamental diferente!

Isso sugere fortemente que haveria um referencial privilegiado, onde uma determinada velocidade através do espaço teria o comprimento máximo possível, enquanto todas as outras seriam mais curtas. Nem todo mundo gosta dessa perspectiva , mas exige que você desista de algo importante em física, como invariância ou localidade de Lorentz. Discretizar o tempo também traz grandes problemas para a Relatividade Geral, como John Baez e Bill Unruh notaram .

O tecido do espaço-tempo, ilustrado, com ondulações e deformações devido à massa. No entanto, embora haja muitas coisas acontecendo neste espaço, ele não precisa ser dividido em quanta individuais.

2.) Espaço e tempo são ambos contínuos . É possível que os problemas que percebemos agora, por outro lado, não sejam problemas insuperáveis, mas sim artefatos de ter uma teoria incompleta do Universo quântico. É possível que o espaço e o tempo sejam realmente fundos contínuos e, embora sejam de natureza quântica, não podem ser divididos em unidades fundamentais. Pode ser um tipo de espaço-tempo espumoso, com grandes flutuações de energia em escalas minúsculas, mas pode não haver uma escala menor. Quando encontramos com sucesso uma teoria quântica da gravidade, ela pode ter um tecido contínuo, mas quântico, afinal.

Uma ilustração do conceito de espuma quântica, onde as flutuações quânticas são grandes, variadas e importantes nas menores escalas. A energia inerente ao espaço flutua em grandes quantidades nessas escalas. (NASA/CXC/M.Weiss)

3.) O espaço e/ou o tempo podem ser discretos ou contínuos, mas há uma resolução finita que podemos alcançar . Isso está no cerne da diferença entre o que pode ser real ou fundamental e o que é mensurável. Imagine que você tenha uma estrutura contínua, mas sua capacidade de visualizá-la é o que é limitado. Quando você chega a uma certa escala de distância pequena o suficiente, ela parece borrada. Podemos não ser capazes de ver se é realmente contínuo ou discreto; podemos apenas dizer que não podemos resolver a estrutura abaixo de uma certa escala de comprimento.

Esta ilustração, da luz passando por um prisma dispersivo e se separando em cores claramente definidas, é o que acontece quando muitos fótons de energia média a alta atingem um cristal. Se fôssemos configurar isso com apenas um único fóton, a quantidade de movimento do cristal poderia ser em um número discreto de 'passos' espaciais. (Usuário do Wikimedia Commons Spigget)

Incrivelmente, pode realmente haver uma maneira de testar se existe uma escala de comprimento menor ou não. Três anos antes de morrer, o físico Jacob Bekenstein apresentou uma ideia brilhante para um experimento onde um único fóton passaria por um cristal, fazendo com que ele se movesse um pouco. Como os fótons podem ser sintonizados em energia (continuamente) e os cristais podem ser muito massivos em comparação com o momento de um fóton, deve ser possível detectar se as etapas em que o cristal se move são discretas ou contínuas. Com um fóton de energia baixa o suficiente, se o espaço for quantizado, o cristal se moveria um único passo quântico ou não se moveria.

Uma representação do espaço plano e vazio sem matéria, energia ou curvatura de qualquer tipo. Se esse espaço for fundamentalmente discreto, devemos ser capazes de projetar um experimento que, pelo menos em teoria, mostre esse comportamento. (Amber Stuver / Living Ligo)

A ideia de que poderia haver a menor escala possível, seja em distância ou tempo, é fascinante e intriga os físicos desde que foi considerada pela primeira vez. Claro, tudo é quântico, mas nem tudo é discreto. Na relatividade de Einstein, espaço e tempo ainda são tratados como duas partes ligadas de um tecido contínuo. Na teoria quântica de campos, o espaço-tempo é o palco contínuo no qual ocorre a dança dos quanta. Mas deveria haver uma teoria quântica da gravidade no centro de tudo. A questão do discreto ou contínuo? contém algumas possibilidades fascinantes, incluindo a possibilidade de que não podemos conhecer abaixo de uma certa escala. Embora muitos suponham uma resposta ou outra, neste momento, precisamos de mais informações antes de realmente sabermos o que nosso Universo está fazendo em um nível fundamental.


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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