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Pergunte a Ethan: E se a gravidade não for realmente fundamental?

A deformação do espaço-tempo por massas gravitacionais. Crédito da imagem: LIGO/T. Pilha.

A gravidade é a força fundamental mais antiga já descoberta. Afinal, não seria fundamental?

Todo o edifício da física moderna é construído sobre a hipótese fundamental da constituição atômica ou molecular da matéria. – C.V. Raman

Desde que Newton apresentou sua teoria da gravitação universal, tem sido aceito que as mesmas forças que governam a gravitação aqui na Terra também governam o movimento e a formação dos planetas, estrelas, galáxias e estruturas de maior escala no Universo. À medida que nossa compreensão científica melhorou, a gravidade de Newton foi substituída pela Relatividade Geral de Einstein, com uma teoria quântica completa da gravidade que se espera que algum dia a substitua. Até agora, as tentativas de quantizar a gravidade foram evasivas. Mas e se a gravidade não fosse uma força fundamental, e é por isso que as tentativas de quantizá-la falharam? Muitos de vocês – incluindo Lex Kemper, Mariusz Woloszyn, Pedro Teixeira, Frank Jansen e Tristan du Pree – perguntaram sobre um novo artigo: Gravidade Emergente e o Universo Sombrio, de Erik Verlinde . Vamos mergulhar.

As quatro forças (ou interações) da Natureza, suas partículas portadoras de força e os fenômenos ou partículas afetadas por elas. As três interações que governam o microcosmos são muito mais fortes que a gravidade e foram unificadas através do Modelo Padrão. Crédito da imagem: Typoform/Nobel Media, via https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2004/popular.html .

Convencionalmente, existem quatro forças fundamentais. As partículas e interações do Modelo Padrão, que contém os quarks, léptons, bósons de calibre e o Higgs, descrevem três das forças fundamentais: o eletromagnetismo e as forças nucleares fraca e forte. A outra força, descrita pela Relatividade Geral de Einstein, é a gravitação. Esse efeito é levado em conta pela curvatura do espaço-tempo, por um lado, e pela presença de matéria e energia, por outro. Efeitos como lentes gravitacionais, radiação gravitacional e a expansão do Universo são uma consequência dessa teoria, e ela é capaz de incorporar tanto matéria escura quanto energia escura. Uma das grandes esperanças de muitos físicos teóricos (e da teoria das cordas) – embora não seja uma necessidade – é que possa existir alguma estrutura abrangente que unifique todas essas quatro forças juntas.

O tecido do espaço-tempo, ilustrado, com ondulações e deformações devido à massa. Crédito da imagem: Observatório Gravitacional Europeu, Lionel BRET/EUROLIOS.

Mas outra abordagem é considerar que talvez a própria Relatividade Geral, incluindo espaço, tempo e força gravitacional, não seja fundamental, mas emergente. Talvez a Relatividade Geral seja apenas uma etapa sobre o qual o jogo gravitacional é realizado, e que há uma causa subjacente mais fundamental para o que percebemos como gravitação. A abordagem de Verlinde é partir da entropia e temperatura Hawking de um buraco negro e, então, usando ideias da Teoria das Cordas, mostrar que há uma relação entre a teoria da informação quântica e o surgimento da gravidade, espaço e tempo.

Dois possíveis padrões de emaranhamento no espaço de Sitter, representando bits emaranhados de informação quântica que podem permitir que o espaço, o tempo e a gravidade emerjam. Crédito da imagem: Erik Verlinde, via https://arxiv.org/pdf/1611.02269v2.pdf .

A ideia básica não é muito difícil: imagine que você tenha duas unidades quânticas, entrelaçadas uma na outra. Jogue uma partícula de matéria ali, e ela terá a capacidade de interagir com uma ou ambas. Essa outra partícula, simplesmente, pode mudar o emaranhamento do sistema, e é dessa mudança de emaranhamento que a gravidade pode emergir. Como a entropia de um buraco negro é proporcional à área de superfície de um buraco negro, é tentador ver o espaço como uma rede de unidades emaranhadas que permitem que a gravitação surja. Há também o fato de que o outro elemento do qual Verlinde começa, a temperatura Hawking de um buraco negro, é proporcional à aceleração gravitacional no horizonte de eventos do buraco negro.

Não sabemos o que acontece na singularidade dentro de um buraco negro, mas as informações sobre o horizonte de eventos, incluindo entropia e temperatura externa, são bem definidas. Crédito da imagem: NASA, via http://www.nasa.gov/topics/universe/features/smallest_blackhole.html .

A esperança é, com as suposições corretas, uma teoria da gravidade completa, que:

• dá-lhe quatro dimensões do espaço-tempo (três espaço e um tempo),
• incorpora a energia escura através de uma constante cosmológica positiva,
• e explica de onde vêm as diferenças gravitacionais entre as previsões do Modelo Padrão e o que observamos.

Essa é a grande esperança e para o que Verlinde está trabalhando. (Outros também estão trabalhando para isso de forma independente.) Este artigo é uma atualização sobre como está indo. Então, como está indo?

Uma ilustração de um passo no surgimento da gravidade como a conhecemos de acordo com a ideia de gravidade entrópica. Crédito da imagem: Erik Verlinde, via https://arxiv.org/pdf/1611.02269v2.pdf .

Existem alguns sucessos dados pressupostos muito específicos, mas há muitos problemas. O maior problema, simplesmente, é que é preciso tomar uma infinidade de decisões de interpretação aparentemente arbitrárias para acabar com algo que não seja absurdo. Por exemplo: a motivação total para esta abordagem é baseada no espaço anti-de Sitter (ou espaço com uma constante cosmológica negativa), mas nosso Universo é observado como tendo uma constante cosmológica positiva (ou seja, espaço de Sitter), e a matemática de os dois espaços têm propriedades muito diferentes. Por outro lado, você precisa que a entropia obedeça a uma lei estrita baseada em área para obter as equações de Einstein, mas você não obtém um horizonte cosmológico se fizer isso. (E nosso Universo tem um.) E, finalmente, se você fizer todas as suposições necessárias para obter a aceleração gravitacional das galáxias, destruirá todos os sucessos da Relatividade Geral em escalas maiores que a galáxia. (Verlinde, é pp. 39–40 , argumenta que poderia ter sucesso, mas as observações de colisões de aglomerados de galáxias minam completamente sua linha de pensamento.)

Os mapas de raios-X (rosa) e de matéria geral (azul) de vários aglomerados de galáxias em colisão mostram uma clara separação entre matéria normal e matéria escura. Crédito da imagem: Raio-X: NASA/CXC/Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, Suíça/D.Harvey & NASA/CXC/Durham Univ/R.Massey; Mapa óptico e de lentes: NASA, ESA, D. Harvey (Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, Suíça) e R. Massey (Durham University, Reino Unido).

Há outras decepções mais fundamentais. O modelo de Verlinde permite que a massa gravitacional emerja, mas não há menção à massa inercial, ou porque essas duas são iguais. (Este é o princípio da equivalência de Einstein.) Por outro lado, muitas das intrincadas suposições que Verlinde faz só podem fazer os números funcionarem se aplicarem a taxa de expansão do Hubble como é hoje, apesar do fato de que a taxa de expansão do Universo mudou drasticamente ao longo de sua história. Ele também assumiu que a energia escura sempre foi a forma dominante de energia no Universo para tornar essa estrutura válida, mas a verdade é que, por bilhões de anos, a energia escura foi insignificante. Em outras palavras, alguns dos principais pilares da cosmologia moderna – como a formação de estrutura em larga escala ou as flutuações na radiação cósmica de fundo – não são suficientemente explicados por este trabalho.

As flutuações em todo o céu estão impressas no fundo cósmico de micro-ondas, o brilho remanescente do Big Bang. Crédito da imagem: ESA e a colaboração do Planck.

Na maior parte, porém, este é um esforço hercúleo para tentar desenvolver uma nova ideia radical: que, começando com a entropia e a temperatura dos bits quânticos fundamentais, você pode derivar uma teoria da gravitação, incluindo espaço e tempo. Agora, existem alguns problemas com isso que eu resumiria da seguinte forma:

• As definições de entropia e temperatura dependem da Relatividade Geral para ser definida em primeiro lugar.
• Muitas suposições e interpretações são feitas ao longo do caminho sem uma motivação clara, além da matemática parecer funcionar dessa maneira.
• A composição e a estrutura do Universo mudaram ao longo do tempo, mas as leis da física não, o que parece estar em conflito com o trabalho de Verlinde.
• E há uma série de questões em aberto que este trabalho levanta: a imagem cosmológica padrão pode ser incorporada, incluindo a expansão do Universo, inflação e o conjunto completo de observações de matéria escura/energia escura?

O Universo passou por uma incrível evolução para se tornar como existe hoje. Crédito da imagem: NASA / WMAP Science Team.

Porque por mais interessante que seja essa ideia, ela tem que ser consistente com o Universo que observamos. E para ter esperança de subir ao nível da ciência aceita, ele precisa realmente fazer uma previsão que possamos procurar em um assunto que ainda não foi decidido. Tem potencial para chegar lá, mas não é apenas uma questão de trabalho duro; tem que estar certo, e se isso é verdade ou não, não foi determinado. Novas ideias são sempre empolgantes, e esta pode oferecer alguns insights tremendos no futuro. Como Niels Bohr disse brilhantemente,

Em nossa descrição da natureza, o propósito não é revelar a verdadeira essência dos fenômenos, mas apenas rastrear, na medida do possível, as relações entre os múltiplos aspectos de nossa experiência.

Envie suas perguntas para Ask Ethan para startswithabang no gmail dot com!

Esta postagem apareceu pela primeira vez na Forbes , e é oferecido a você sem anúncios por nossos apoiadores do Patreon . Comente em nosso fórum , & compre nosso primeiro livro: Além da Galáxia !

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