Ondas gravitacionais mostrarão a natureza quântica da realidade
Crédito da imagem: NASA/Sonoma State University/Aurore Simonnet.
O LIGO foi apenas o começo deste novo campo da ciência, mas um experimento diferente conduzirá o avanço quântico!
Se você não está completamente confuso com a mecânica quântica, você não a entende. – John Wheeler
Uma das previsões mais antigas da teoria geral da relatividade de Einstein – a teoria gravitacional de que o espaço-tempo é um tecido que se dobra e se curva pela presença de matéria e energia – é que as massas que aceleram no Universo produzem ondulações no próprio tecido do espaço: ondas gravitacionais. Mas a concepção de gravidade de Einstein ainda é uma imagem clássica, como:
- espaço e tempo são entidades contínuas, não discretas,
- as previsões da teoria falham (dar respostas sem sentido) em distâncias muito pequenas e na presença de campos muito grandes,
- e não há como calcular o campo gravitacional para sistemas inerentemente quânticos, como um elétron confrontado com uma fenda dupla.
Esperamos que, em algum nível, a gravidade seja de natureza quântica, embora ainda não tenhamos nenhuma evidência experimental disso. Mas com A recente detecção direta de ondas gravitacionais do LIGO , temos todos os motivos para acreditar que a existência dessas ondas é a chave para mostrar - pela primeira vez - que a gravidade é realmente uma força quântica por natureza. Aqui está como vamos fazer isso.
https://www.youtube.com/watch?v=IZhNWh_lFuI
Qualquer massa que acelere na presença de um campo gravitacional deve produzir ondas gravitacionais, que são uma forma de energia que viaja pelo espaço na velocidade da luz. Demorou sessenta anos para o primeiro indireto evidência da existência de ondas gravitacionais para emergir, uma vez que requer campos gravitacionais incrivelmente fortes – massas muito grandes acelerando a distâncias de separação muito curtas umas das outras – para produzir mudanças apreciáveis no comportamento de um objeto astrofísico. Mas os objetos menores, de maior massa e mais compactos são buracos negros e estrelas de nêutrons, e são notoriamente difíceis de observar, pois praticamente não emitem luz!
Felizmente, uma classe de estrela de nêutrons – um pulsar – na verdade é visível graças às ondas de rádio que emite de seus pólos enquanto gira. Esses são normalmente alguns dos relógios mais perfeitos do Universo, mas se um estiver em órbita em torno de outro objeto colapsado (uma estrela de nêutrons ou um buraco negro), sua órbita decairá, pois a energia é transportada em ondas gravitacionais.
Crédito da imagem: NASA (L), Instituto Max Planck de Radioastronomia / Michael Kramer, via http://www.mpg.de/7644757/W002_Physics-Astronomy_048-055.pdf .
Essa detecção indireta de ondas gravitacionais foi feita pela primeira vez nas décadas de 1970 e 1980, e o decaimento orbital correspondeu às previsões da relatividade geral com precisão. Mas foi o anúncio do mês passado do LIGO que confirmou de forma verdadeira e inequívoca esse fenômeno relativista. Quando dois buracos negros se fundiram a cerca de 1,3 bilhão de anos-luz de distância, três massas solares de matéria foram convertidas em energia de ondas gravitacionais. Viajando pelo Universo na velocidade da luz, eles chegaram aos detectores gêmeos LIGO em Washington e Louisiana, comprimindo e esticando alternadamente o caminho dos lasers em menos de um centésimo de próton. A detecção direta desses sinais nos diz, inequivocamente, que as ondas gravitacionais, de fato, ondulam por todo o Universo.
Crédito da imagem: Observação de ondas gravitacionais de uma fusão de buracos negros binários B. P. Abbott et al., (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration), Physical Review Letters 116, 061102 (2016).
Em uma versão quântica dessa teoria gravitacional, as ondas gravitacionais seriam realmente feitas de uma infinidade de partículas quânticas – grávitons – assim como a luz que vemos é composta de partículas quânticas na forma de fótons. Embora ainda não saibamos como detectar partículas de gráviton diretamente, há outro lugar e tempo em que as ondas gravitacionais são produzidas onde a origem é inteiramente quântica por natureza: desde a época do Universo conhecida como inflação cósmica, o período de tempo imediatamente anterior à o Big Bang Quente. À medida que o espaço se expande exponencialmente, as flutuações quânticas em todos os campos do Universo se estendem pelo cosmos, incluindo flutuações no campo gravitacional. Enquanto algumas dessas flutuações (flutuações escalares) levam a regiões superdensas e subdensas do espaço, que se transformam em galáxias, grupos e aglomerados ao longo do tempo, outra classe de flutuações (flutuações tensoras) leva à produção de ondas gravitacionais.
Crédito da imagem: National Science Foundation (NASA, JPL, Keck Foundation, Moore Foundation, relacionado) — Programa BICEP2 financiado.
Essas flutuações interagem com os fótons no Universo de uma maneira muito particular, polarizando sua luz de uma maneira detectável em princípio. De fato, se as ondas gravitacionais da inflação estiverem acima de uma certa magnitude, esse sinal de polarização será detectável no brilho remanescente do Big Bang – o Fundo de Microondas Cósmica – em algum momento durante os próximos 20 anos.
Crédito da imagem: Figura da colaboração BICEP2.
A colaboração BICEP2 alegou prematuramente detectar essas ondas há alguns anos, uma alegação que foi derrubada por evidências subsequentes e aprimoradas. Mas há uma série de experimentos atuais e futuros que devem ser até 100 vezes mais sensíveis do que o BICEP2. Se eles gerarem um sinal positivo para essas ondas gravitacionais da inflação, isso seria muito diferente das ondas gravitacionais que o LIGO viu, já que essas ondas gravitacionais são de origem quântica ; eles não podem ser gerados apenas pela relatividade geral clássica. É isso que experimentos como BICEP2, POLARBEAR, SPTPOL e SPIDER, entre outros, estão trabalhando para medir agora.
Crédito da imagem: Equipe de ciência do Planck.
Esta previsão pode falhar , se a inflação for de uma variedade que produz ondas gravitacionais muito pequenas em magnitude. Mas também pode ter sucesso e, se o fizer, será o sinal de onda gravitacional final: um que é inerentemente de origem quântica e que prova que a gravidade é uma teoria quântica, afinal. Enquanto todos esperamos que uma teoria da gravitação verdadeiramente quântica e mais fundamental seja encontrada, encontrando evidências de que a gravidade realmente é uma força fundamentalmente quântica seria um grande salto por si só. O LIGO não será o equipamento que nos levará até lá, mas o fenômeno que acabou de nos mostrar é real – ondas gravitacionais – pode muito bem ser a peça que faltava no quebra-cabeça que permite que tudo se una!
Esta postagem apareceu pela primeira vez na Forbes . Deixe seus comentários em nosso fórum , confira nosso primeiro livro: Além da Galáxia , e apoie nossa campanha no Patreon !
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