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As duas estradas para a gravidade quântica

• Se o Universo começou a partir de um Big Bang, precisamos revisar a maneira como fazemos física no início dos tempos.
• A grande questão é como. Os esforços para construir uma teoria que apresente a física quântica e a teoria moderna da gravidade (a teoria geral da relatividade de Einstein) falharam até agora.
• O longo caminho a seguir não terminou, mas produziu algumas ideias maravilhosas sobre a natureza da realidade física.

Este é o décimo segundo artigo de uma série sobre cosmologia moderna.

Durante o século 20, aprendemos que a Via Láctea é apenas uma entre inúmeras outras galáxias em nosso Universo. Também aprendemos que essas galáxias estão se afastando umas das outras, uma expansão cósmica coletiva que interpretamos como resultado da expansão do espaço. Se imaginarmos o tempo retrocedendo, essas galáxias se aproximarão cada vez mais umas das outras até acabarem espremidas em um volume minúsculo. A matéria se aquece e se decompõe em seus componentes elementares, as partículas que compõem tudo no Universo. À medida que a compressão continua, nos aproximamos do começo de tudo - o t = 0 do cosmos.

Esforçando o método científico

Claro que as coisas não são tão simples, como nós vimos sobre o curso de esse especial Series . À medida que a matéria é espremida em volumes menores, devemos abandonar toda a esperança de que as regras da física clássica possam descrever o que está acontecendo. Voltamo-nos neste ponto para a física quântica, a física do muito pequeno. As coisas agora ficam interessantes, mas muito mais especulativas.

Para empurrar a física para o Universo primitivo, precisamos extrapolar o que sabemos atualmente para domínios que permanecem desconhecidos para nós. Claro, este é sempre um passo necessário para o avanço do conhecimento, mas há perigos quando nos aventuramos no desconhecido. Se dermos um passo errado à frente, podemos acabar nos perdendo. É por isso que nos voltamos para o método científico. Ele fornece uma restrição importante, limitando as hipóteses viáveis ​​àquelas que podem ser testadas antes de serem estabelecidas como confiáveis.

Deixando de lado as limitações de o domínio do método científico sobre a “verdade”, este tem sido o caso desde a época de Galileu e Kepler no início dos anos 1600. Mas o Universo primitivo e sua necessidade de física excêntrica estão desafiando nossa abordagem milenar e levando a metodologia científica para novas direções. Por trás da mudança em como a física teórica opera estão dois principais culpados: a quantização da gravidade e a possibilidade de vivermos em um multiverso. Hoje, discutimos o primeiro desafio — a difícil relação entre a gravidade e a física quântica.

Gravidade quântica em loop

Como devemos lidar com a quantização da gravidade , visto que a gravidade é entendida como a curvatura do espaço-tempo, causada pela presença da matéria? Nos últimos 60 anos, duas abordagens surgiram como candidatas favoritas. Gravidade quântica em loop sustenta a noção de que, se quisermos quantificar a gravidade, precisamos quantificar o próprio tecido do espaço-tempo. O que isso significa é que temos que parar de pensar no espaço e no tempo como entidades contínuas e começar a pensar neles como um conjunto de pedaços grossos.

Mais precisamente, a teoria da gravidade quântica em loop postula que a estrutura do espaço-tempo é feita de pequenos loops entrelaçados em uma espécie de rede, uma estrutura semelhante a uma colcha em quatro dimensões (uma para o tempo e três para o espaço). Essas estruturas malucas e interligadas são chamadas girar redes . Eles existem logo acima do chamado Comprimento de Planck , a menor distância concebível, em torno de 10 ^-35 metros.

A gravidade quântica em loop depende, essencialmente, da atomização do espaço. Em termos de cosmologia, a teoria tende a favorecer uma grande salto , onde o Big Bang segue um período de contração. Pode ser incomum, mas a gravidade quântica em loop permanece fiel a alguns dos preceitos básicos da física, apresentando-os para expressar a quantização do espaço e do tempo.

Supercordas

A outra abordagem para a gravidade quântica é supercordas , e é um quebrador de paradigmas. As supercordas exigem um repensar radical do que são os blocos básicos de construção da realidade material, afastando-se do pensamento atomístico que dominou grande parte da física moderna. As supercordas são tubos vibratórios extremamente minúsculos. Como as cordas de um violão que podem vibrar para produzir sons de diferentes frequências, as supercordas podem produzir, ou se tornar, diferentes partículas.

O que complica a história é que, para fazer contato com as partículas conhecidas da natureza, as supercordas devem viver em um espaço-tempo de dez dimensões – uma dimensão para o tempo e nove para o espaço. Eles também exigem uma nova simetria da natureza chamada supersimetria . Essa simetria relaciona partículas da matéria como elétrons e quarks com as partículas que transmitem as forças entre eles, como o fóton (que transmite o eletromagnetismo) e o glúon (que carrega a força nuclear forte). A teoria é tão matematicamente bela quanto complexa. De fato, sua própria complexidade retardou o desenvolvimento da teoria, que teve sua origem na década de 1970 e teve seus maiores avanços na década de 1980.

Validação

Validar as abordagens é complicado. A gravidade quântica em loop prevê um certo desdobramento da história cósmica que pode ou não estar correto. Ainda não sabemos se houve um salto no início do tempo ou se o tecido do espaço-tempo é uma rede de loops interligados. A teoria das cordas requer um salto de fé ainda maior. Requer dimensões extras de espaço, bem como supersimetria, que escapam de nossos esforços de detecção. Na verdade, a supersimetria, mesmo se detectada na forma de uma nova partícula, forneceria apenas suporte indireto para a teoria das cordas – a mudança de paradigma que ela requer exige muito mais.

Quarenta anos após o surgimento dessas ideias, muitos físicos continuam trabalhando arduamente, tentando aprimorá-las. A estrada tem sido esburacada, mas também bastante cênica, já que ideias espetaculares são propostas para levar os dois projetos adiante. Às vezes, assim como quando subimos uma montanha, as melhores vistas não vêm do topo – elas nos cumprimentam ao longo do caminho.

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