O HIE pode testar a gravidade quântica?
Crédito da imagem: SXS, o projeto Simulating eXtreme Spacetimes (SXS) ( http://www.black-holes.org ).
Agora que viu ondas gravitacionais, poderia a física além de Einstein ser seu próximo alvo?
Este post foi escrito por Sabine Hossenfelder, uma física teórica especializada em gravidade quântica e física de alta energia. Ela também escreve freelance sobre ciência.
Havia uma longa história de especulação de que na gravidade quântica, diferentemente da teoria clássica de Einstein, poderia ser possível que a topologia do espaço-tempo mudasse. – Edward Witten
Tl; dr: Improvável, mas não impossível.
A teoria da relatividade geral de Einstein prevê que massas aceleradas emitem ondas gravitacionais. E na semana passada, um século depois que essa previsão foi feita, a colaboração LIGO anunciou sua primeira detecção direta de ondas gravitacionais. Mas isso foi apenas o começo – esperamos muitos outros eventos, e eles colocarão a teoria de Einstein à prova com precisão sem precedentes. O que isso significa para os esforços dos físicos para encontrar uma teoria da gravidade quântica – a combinação ainda ausente da relatividade geral com a mecânica quântica?
Crédito da imagem: T. Pyle/Caltech/MIT/LIGO Lab.
A relatividade geral é uma teoria não quantizada, e as ondas gravitacionais foram previstas independentemente das tentativas de encontrar uma versão quantizada consistente da gravidade. A existência de ondas gravitacionais, portanto, pode ser explicada sem gravidade quântica. É geralmente esperado, no entanto, que a gravidade quântica dê origem a grávitons que são ondas gravitacionais quantizadas. O gráviton é uma partícula que está relacionada às ondas gravitacionais da mesma forma que um fóton está relacionado às ondas eletromagnéticas – a partícula é um pequeno pedaço da onda com uma energia proporcional à frequência da onda. As propriedades das próprias ondas no contexto da relatividade geral nos dão todo tipo de informação útil sobre a versão quântica da partícula gráviton: ela deve ser sem massa, deve ter um spin de 2 (em oposição a 1 para fótons, ½ para elétrons e 0 para o bóson de Higgs), e deve se propagar na velocidade da luz.
Uma onda gravitacional consiste em um grande número de grávitons, mas medir os constituintes individuais é extremamente difícil e está muito além de nossas capacidades experimentais. O LIGO não resolve grávitons únicos pela mesma razão que uma antena de TV não resolve fótons únicos: se houver um sinal, o detector está inundado de partículas e não é sensível aos pequenos e discretos passos de energia. Se existirem grávitons, o LIGO os detecta, mas não consegue distinguir a enorme quantidade de grávitons de uma onda gravitacional não quantizada. Portanto, o LIGO não pode nos dizer nada sobre a existência de grávitons.
Sobre se isso pode nos dizer algo sobre a gravidade quântica, não posso dizer com certeza, porque não temos uma teoria da gravidade quântica. Portanto, a resposta a esta pergunta depende do que você acredita que sabemos sobre a gravidade quântica.
O que praticamente todo mundo concorda é que os efeitos gravitacionais quânticos devem se tornar grandes em regiões de forte curvatura do espaço-tempo. Mas na comunidade da gravidade quântica, curvatura forte significa a curvatura em direção ao centro dos buracos negros, não a curvatura no horizonte, que é comparativamente fraca. Uma fusão de buracos negros, como a vista pelo LIGO, não investiga o que acontece no centro do buraco negro e, portanto, não testa fortes efeitos gravitacionais quânticos.
Crédito da imagem: Caltech/MIT/LIGO Lab, do primeiro sinal de onda gravitacional visto por ambos os detectores LIGO.
Tem sido argumentado em bases teóricas, no entanto, que os efeitos gravitacionais quânticos podem não ser pequenos perto dos horizontes dos buracos negros, embora tais argumentos estejam sob muito debate. Ideias como fuzzballs de buracos negros, firewalls ou cabelos de buracos negros afetam o horizonte do buraco negro. E em tais cenários, as flutuações gravitacionais quânticas podem deixar uma marca no espectro de emissão que pode ser procurada com o LIGO e outros experimentos de ondas gravitacionais futuros.
Dentro uma breve nota sobre o arXiv na semana passada , Steve Giddings, da UC Santa Barbara, oferece algumas considerações gerais sobre essa questão. Ele argumenta que os desvios do tamanho do horizonte da geometria regular do buraco negro devem genericamente levar a um sinal de onda gravitacional menos regular e com uma potência mais alta do que a Relatividade Geral prevê. Tenho certeza de que as previsões quantitativas seguirão em breve, agora que os dados estão chegando.
De maneira mais geral, qualquer desvio da Relatividade Geral pode nos dar uma dica de como quantizar a gravidade. E como as ondas gravitacionais testam bases que antes simplesmente não conseguíamos acessar, as medições prometem revelar novos fatos que levarão a novos insights.
A dinâmica de uma fusão de buracos negros e a maneira como as ondas gravitacionais viajam são sensíveis a desvios ainda menores da relatividade geral, como, por exemplo, violações do princípio da equivalência ou a possibilidade de o gráviton não ser exatamente sem massa. Gravidade bimétrica, modificações de ordem superior da relatividade geral, interações adicionais de longo alcance ou o éter gravitacional – todos esses modelos terão que passar por testes adicionais agora. Sem dúvida, alguns serão vencedores (provavelmente onde os desacordos das previsões da relatividade são muito pequenos para serem descartados), e alguns serão perdedores. E talvez um deles venha a substituir a obra-prima de Einstein.
Além das fusões de buracos negros, o LIGO pode detectar sinais de fontes estranhas que não se encaixam nas teorias padrão, por exemplo cordas cósmicas . Cordas cósmicas são objetos estáveis, macroscópicos e unidimensionais de alta densidade de energia que podem ter sido criados no início do universo e ainda podem estar por aí hoje.
Crédito das imagens: Andrey Kravtsov (simulação cosmológica, L); B. Allen & E. P. Shellard (simulação em um universo de cordas cósmicas, R), via http://www.ctc.cam.ac.uk/outreach/origins/cosmic_structures_four.php .
Essas cordas cósmicas podem formar cúspides onde elas se cruzam ou voltam para si mesmas, o que as faz emitir rajadas de ondas gravitacionais. Se esses objetos estão por aí hoje, isso nos diria que as condições nas condições iniciais do universo devem ter permitido sua formação - isso testaria um regime de energia muito alta onde a física da gravidade quântica ou grande unificação desempenhava um papel. Cordas cósmicas, portanto, podem conter informações sobre questões fundamentais da física. LIGO já havia pesquisado por cordas cósmicas , e não encontrou nenhuma evidência de sua presença. Mas o aumento da sensibilidade após a atualização do ano passado agora nos permite uma busca mais precisa por esses objetos.
Crédito de imagem: NASA Goddard Space Flight Center.
Finalmente, deve-se mencionar que o interferômetro de ondas gravitacionais LIGO mede apenas uma faixa específica de comprimentos de onda e que outros comprimentos de onda contêm outras informações sobre as estruturas do universo. Especialmente interessantes para a gravidade quântica são as ondas gravitacionais primordiais que já existiam no início do universo. Estes deveriam ter tido um comportamento distintamente quântico e, assim, detectá-los ajudaria muito a entender o que estava acontecendo naquela época. Como demonstrou o anúncio seguido de retratação do BICEP2 de 2014, no entanto, medir as ondas gravitacionais primordiais é realmente difícil. Mas ainda estamos no início da astronomia de ondas gravitacionais, e você pode ter certeza de que nos esforçaremos mais e teremos dados melhores nos próximos anos.
Em resumo, não há razões fortes para que os efeitos gravitacionais quânticos se tornem mensuráveis com detectores de ondas gravitacionais em um futuro próximo. Há, no entanto, sempre a possibilidade de que novos métodos observacionais tragam surpresas. Portanto, não tenha muitas esperanças – mas também não as impeça de voar.
Veja aqui o conjunto completo de colunas Dear Dr B , escrito no blog da Sabine.
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