• Começa com um estrondo

O problema fundamental com a gravidade e a física quântica

Temos duas descrições do Universo que funcionam perfeitamente bem: Relatividade Geral e física quântica. Pena que não trabalham juntos.

Principais conclusões

• Em 1915, Einstein apresentou nossa atual teoria da gravidade em sua forma final: Relatividade Geral. Passou em todos os testes observacionais e experimentais que já enfrentou.
• A física quântica demorou um pouco mais para se desenvolver, com o Modelo Padrão descrevendo perfeitamente bem as partículas e as outras três forças fundamentais do Universo: concordando com todos os mensuráveis.
• Mas em um nível fundamental, essas duas descrições do Universo são fundamentalmente inconsistentes. Eis por que esse é um problema importante e, possivelmente, uma pista importante para o que vem a seguir.

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Não importa o que você tenha ouvido, não se engane: a física não “acabou” em nenhum sentido da palavra. Até onde chegamos em nossas tentativas de entender o mundo e o Universo ao nosso redor – e chegamos impressionantemente longe – é absolutamente falso fingir que resolvemos e entendemos o mundo natural ao nosso redor de qualquer forma satisfatória. senso. Temos duas teorias que funcionam incrivelmente bem: em todos os anos em que as testamos, nunca encontramos uma única observação ou fizemos uma única medida experimental que entrasse em conflito com a Relatividade Geral de Einstein ou com as previsões do Modelo Padrão do campo quântico. teoria.

Se você quer saber como a gravitação funciona ou quais serão seus efeitos em qualquer objeto do Universo, a Relatividade Geral ainda não nos decepcionou. De experimentos de mesa a relógios atômicos, mecânica celeste e lentes gravitacionais na formação da grande teia cósmica, sua taxa de sucesso é de 100%. Da mesma forma, para qualquer experimento de física de partículas ou interação concebível, seja mediada pela força forte, fraca ou eletromagnética, as previsões do Modelo Padrão sempre concordam com os resultados. Em seus próprios domínios, a Relatividade Geral e o Modelo Padrão podem reivindicar ser a teoria física mais bem-sucedida de todos os tempos.

Mas há um enorme problema fundamental no coração de ambos: eles simplesmente não funcionam juntos. Se você deseja que seu Universo seja consistente, essa situação simplesmente não funcionará. Aqui está o problema fundamental no coração da física no século 21.

Inúmeros testes científicos da Teoria Geral da Relatividade de Einstein foram realizados, submetendo a ideia a algumas das mais rigorosas restrições já obtidas pela humanidade. A primeira solução de Einstein foi para o limite do campo fraco em torno de uma única massa, como o Sol; ele aplicou esses resultados ao nosso Sistema Solar com sucesso dramático. Muito rapidamente, um punhado de soluções exatas foram encontradas depois disso.

Por um lado, a Relatividade Geral, nossa teoria da gravidade, era um conceito radical quando surgiu pela primeira vez: tão radical que foi atacada por muitos em bases filosóficas e físicas por muitas décadas.

• Como espaço e tempo podem não ser quantidades absolutas; como eles poderiam ser diferentes para todos, dependendo das propriedades particulares de quem o observa?
• Como poderia a gravitação não ser instantânea entre quaisquer dois objetos que atraíssem; como essa interação pode se propagar apenas a uma velocidade finita que era igual à velocidade da luz?
• Como a gravidade poderia afetar não apenas as massas, mas todas as formas de energia, incluindo objetos sem massa como a luz?
• Por outro lado, como todas as formas de energia, não apenas a massa, podem afetar como todos os outros objetos no Universo experimentaram os efeitos da gravidade?
• E como poderia haver uma geometria subjacente, distorcida e curvada no Universo que determinasse como os objetos se moviam?

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Independentemente de como alguém possa ter se sentido sobre a nova imagem que a maior conquista de Einstein, a teoria geral da relatividade, trouxe consigo, o comportamento dos fenômenos físicos no Universo não mente. Com base em todo um conjunto de experimentos e observações, a Relatividade Geral provou ser uma descrição notavelmente bem-sucedida do Universo, tendo sucesso em todas as condições concebíveis que pudemos testar, enquanto nenhuma outra alternativa o faz.

Os resultados da expedição de Eddington de 1919 mostraram, de forma conclusiva, que a Teoria Geral da Relatividade descrevia a curvatura da luz das estrelas em torno de objetos massivos, derrubando a imagem newtoniana. Esta foi a primeira confirmação observacional da teoria da gravidade de Einstein.

O que a Relatividade Geral nos diz é que a matéria e energia no Universo – especificamente, a densidade de energia, a pressão, a densidade de momento e a tensão de cisalhamento presente em todo o espaço-tempo – determina a quantidade e o tipo de curvatura do espaço-tempo que está presente em todos quatro dimensões: as três dimensões espaciais, bem como a dimensão temporal. Como resultado desta curvatura do espaço-tempo, todas as entidades que existem neste espaço-tempo, incluindo (mas não limitado a) todas as partículas massivas e sem massa, movem-se não necessariamente ao longo de linhas retas, mas sim ao longo de geodésicas: os caminhos mais curtos entre quaisquer dois pontos definidos por o espaço curvo entre eles, em vez de um espaço plano (incorretamente) assumido.

Onde a curvatura espacial é grande, os desvios das trajetórias em linha reta são grandes, e a taxa na qual o tempo passa também pode se dilatar significativamente. Experimentos e observações em laboratórios, em nosso Sistema Solar e em escalas galácticas e cósmicas confirmam isso em grande acordo com as previsões da Relatividade Geral, dando mais suporte à teoria.

Apenas esta imagem do Universo, pelo menos até agora, funciona para descrever a gravitação. Espaço e tempo são tratados como entidades contínuas, não discretas, e essa construção geométrica é necessária para servir como o espaço-tempo de “fundo” no qual todas as interações, incluindo a gravitação, ocorrem.

As partículas e antipartículas do Modelo Padrão obedecem a todo tipo de leis de conservação, mas também apresentam diferenças fundamentais entre partículas fermiônicas e antipartículas e bosônicas. Embora haja apenas uma “cópia” do conteúdo bosônico do Modelo Padrão, existem três gerações de férmions do Modelo Padrão. Ninguém sabe por quê.

Por outro lado, há o Modelo Padrão da física de partículas. Originalmente formulado sob as suposições de que os neutrinos eram entidades sem massa, o Modelo Padrão é baseado na teoria quântica de campos, onde existem:

• quanta fermiônicos (partículas) que têm cargas,
• quanta bosônicos (também partículas) que medeiam as forças entre partículas com a carga relevante,
• e um vácuo (quântico) de espaço-tempo através do qual todos os quanta viajam e interagem.

A força eletromagnética é baseada em cargas elétricas e, portanto, todos os seis quarks e os três léptons carregados (elétron, múon e tau) experimentam a força eletromagnética, enquanto o fóton sem massa a media.

A força nuclear forte é baseada em cargas de cor, e apenas os seis quarks as possuem. Existem oito glúons sem massa que medeiam a força forte, e nenhuma outra partícula está envolvida nela.

A força nuclear fraca, por sua vez, é baseada em hipercarga fraca e isospin fraca, e todos os férmions possuem pelo menos um deles. A interação fraca é mediada pelos bósons W-e-Z, e ​​os bósons W também possuem cargas elétricas, o que significa que eles também experimentam a força eletromagnética (e podem trocar fótons).

A largura inerente, ou metade da largura do pico na imagem acima quando você está a meio caminho da crista do pico, é medida como 2,5 GeV: uma incerteza inerente de cerca de +/- 3% da massa total. A massa da partícula em questão, o bóson Z, tem um pico de 91,187 GeV, mas essa massa é inerentemente incerta por uma quantidade significativa devido ao seu tempo de vida excessivamente curto. Este resultado é notavelmente consistente com as previsões do Modelo Padrão.

Existe uma regra na física quântica de que todos os estados quânticos idênticos são indistinguíveis um do outro, e isso permite que eles se misturem. Mistura de quarks era esperado e então confirmado, com a interação fraca determinando vários parâmetros desta mistura. Uma vez que aprendemos que os neutrinos eram massivos, não sem massa como originalmente esperado, percebemos que o mesmo tipo de mistura deve ocorrer para neutrinos , também determinado pelas interações fracas. Esse conjunto de interações - as forças nucleares eletromagnéticas, fracas e fortes, agindo sobre as partículas que têm as cargas relevantes e necessárias - descreve tudo o que se poderia querer prever o comportamento das partículas sob quaisquer condições imagináveis.

E as condições em que os testamos são extraordinárias. De experimentos de raios cósmicos a experimentos de decaimento radioativo, experimentos solares e experimentos de física de alta energia envolvendo colisores de partículas, as previsões do Modelo Padrão concordaram com todos os experimentos já realizados. Uma vez que o bóson de Higgs foi descoberto, ele confirmou nossa imagem de que as forças eletromagnética e fraca já foram unificadas em altas energias na força eletrofraca, que foi o teste final do Modelo Padrão. Em toda a história da física, nunca houve um resultado que o Modelo Padrão não pudesse explicar.

Hoje, os diagramas de Feynman são usados ​​no cálculo de todas as interações fundamentais abrangendo as forças forte, fraca e eletromagnética, inclusive em condições de alta energia e baixa temperatura/condensadas. As interações eletromagnéticas, mostradas aqui, são todas governadas por uma única partícula portadora de força: o fóton, mas também podem ocorrer acoplamentos fracos, fortes e Higgs. Esses cálculos são difíceis de realizar, mas ainda são muito mais complicados em espaços curvos, em vez de planos.

Mas há uma pegadinha. Todos os cálculos do Modelo Padrão que realizamos são baseados em partículas que existem no Universo, o que significa que elas existem no espaço-tempo. Os cálculos que normalmente realizamos são feitos sob a suposição de que o espaço-tempo é plano: uma suposição que sabemos ser tecnicamente errada, mas que é muito útil (porque os cálculos no espaço-tempo curvo são muito mais difíceis do que no espaço plano) e tal uma boa aproximação para as condições que encontramos na Terra que aramos adiante e fazemos essa aproximação de qualquer maneira.

Afinal, esse é um dos grandes métodos que usamos na física: modelamos nosso sistema da maneira mais simples possível para capturar todos os efeitos relevantes que determinarão o resultado de um experimento ou medição. Dizer “Estou fazendo meus cálculos de física de alta energia no espaço-tempo plano” em vez de no espaço-tempo curvo não fornece uma resposta apreciavelmente diferente, exceto nas condições mais extremas.

Mas existem condições extremas no Universo: no espaço-tempo em torno de um buraco negro, por exemplo. Sob essas condições, podemos determinar que usar um plano de fundo do espaço-tempo simplesmente não é bom, e somos obrigados a assumir a tarefa hercúlea de realizar nossos cálculos da teoria quântica de campos no espaço curvo.

Dentro de um buraco negro, a curvatura do espaço-tempo é tão grande que a luz não pode escapar, nem as partículas, em nenhuma circunstância. Embora não tenhamos uma compreensão do que acontece nas singularidades centrais dos próprios buracos negros, a Relatividade Geral de Einstein é suficiente para descrever a curvatura do espaço a mais de alguns comprimentos de Planck da própria singularidade.

Pode surpreendê-lo que, em princípio, isso não seja tão difícil. Tudo o que você precisa fazer é substituir o plano de fundo do espaço-tempo que você normalmente usa para realizar seus cálculos com o plano de fundo curvo, conforme descrito pela Relatividade Geral. Afinal, se você sabe como seu espaço-tempo é curvo, você pode escrever as equações para o fundo, e se você sabe quais quanta/partículas você tem, você pode escrever os termos restantes que descrevem as interações entre eles naquele espaço-tempo. O resto, embora seja bastante difícil na prática na maioria das circunstâncias, é simplesmente uma questão de poder computacional.

Você pode descrever, por exemplo, como o vácuo quântico se comporta dentro e fora do horizonte de eventos de um buraco negro. Como você está em uma região onde o espaço-tempo é mais curvado quanto mais próximo você estiver da singularidade de um buraco negro, o vácuo quântico difere de maneira calculável. A diferença no estado do vácuo em diferentes regiões do espaço – particularmente na presença de um horizonte, seja cosmológico ou de eventos – leva à produção de radiação e pares partícula-antipartícula onde quer que campos quânticos estejam presentes. Esta é a razão fundamental por trás Radiação Hawking : a razão pela qual os buracos negros, em um universo quântico, são fundamentalmente instáveis ​​e eventualmente decairão.

Embora nenhuma luz possa escapar de dentro do horizonte de eventos de um buraco negro, o espaço curvo fora dele resulta em uma diferença entre o estado de vácuo em diferentes pontos próximos ao horizonte de eventos, levando à emissão de radiação por meio de processos quânticos. É daí que vem a radiação Hawking e, para os buracos negros de menor massa, a radiação Hawking levará ao seu decaimento completo em menos de uma fração de segundo. Mesmo para os buracos negros de maior massa, a sobrevivência além de 10^103 anos ou mais é impossível devido a esse processo exato.

Isso é o mais longe que podemos ir, no entanto, e isso não nos leva a todos os lugares. Sim, podemos fazer o Modelo Padrão e a Relatividade Geral “jogar bem” dessa maneira, mas isso só nos permite calcular como as forças fundamentais funcionam em espaços-tempos fortemente curvos que estão suficientemente longe de singularidades, como aqueles nos centros do preto buracos ou - em teoria - no início do Universo, assumindo que tal começo existe.

A razão enlouquecedora é que a gravidade afeta todos os tipos de matéria e energia. Tudo é afetado pela gravitação, incluindo, em teoria, quaisquer tipos de partículas que sejam responsáveis ​​pela gravitação. Dado que a luz, que é uma onda eletromagnética, é composta de quanta individuais na forma de fótons, assumimos que as ondas gravitacionais são compostas de quanta na forma de grávitons, dos quais até conhecemos muitas das propriedades das partículas na ausência de uma teoria quântica completa da gravitação.

Mas é exatamente disso que precisamos. Essa é a peça que faltava: uma teoria quântica da gravidade. Sem ela, não podemos entender ou prever nenhuma das propriedades quânticas da gravidade. E antes que você diga: “E se eles não existirem?” sei que isso não pintaria uma imagem consistente da realidade.

Resultados de um experimento de dupla fenda realizado pelo Dr. Tonomura mostrando o acúmulo de um padrão de interferência de elétrons únicos. Se o caminho pelo qual cada elétron passa é medido, o padrão de interferência é destruído, levando a duas “pilhas”. O número de elétrons em cada painel é 11 (a), 200 (b), 6.000 (c), 40.000 (d) e 140.000 (e).

Por exemplo, considere o mais “inerentemente quântico” de todos os experimentos quânticos que já foram realizados: o experimento da fenda dupla. Se você enviar uma única partícula quântica através do aparelho e observar por qual fenda ela passa, o resultado é completamente determinado, pois a partícula se comporta como se estivesse

• ia passar,
• atravessa,
• e passou,

a fenda que você observou passar a cada passo do caminho. Se essa partícula fosse um elétron, você poderia determinar quais eram seus campos elétricos e magnéticos durante toda a sua jornada. Você também poderia determinar qual era seu campo gravitacional (ou equivalentemente, quais eram seus efeitos na curvatura do espaço-tempo) a cada momento também.

Mas e se você não observar por qual fenda ela passa? Agora a posição do elétron é indeterminada até chegar à tela, e só então você pode determinar “onde” ele está. Ao longo de sua jornada, mesmo depois de fazer essa medição crítica, sua trajetória passada não é totalmente determinada. Por causa do poder da teoria quântica de campos (para eletromagnetismo), podemos determinar qual era o seu campo elétrico. Mas como não temos uma teoria quântica da gravitação, não podemos determinar seu campo gravitacional ou efeitos. Nesse sentido - assim como em pequenas escalas ricas em flutuações quânticas ou em singularidades em que a Relatividade Geral clássica dá apenas respostas sem sentido – não entendemos completamente a gravitação.

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, assim como a questão se a gravidade é quantizada ou se as partículas, como as conhecemos hoje, são fundamentais ou não. Mas se esperamos uma teoria fundamental de tudo, ela deve incluir campos quantizados, o que a Relatividade Geral não faz sozinha.

Isso funciona nos dois sentidos: porque não entendemos a gravitação em um nível quântico, isso significa que não entendemos bem o próprio vácuo quântico. O vácuo quântico, ou as propriedades do espaço vazio, é algo que pode ser medido de várias maneiras. O efeito Casimir, por exemplo, nos permite medir o efeito da interação eletromagnética através do espaço vazio sob uma variedade de configurações, simplesmente alterando a configuração dos condutores. A expansão do Universo, se a medirmos ao longo de toda a nossa história cósmica, revela-nos as contribuições cumulativas de todas as forças para a energia do ponto zero do espaço: o vácuo quântico.

Mas podemos quantificar as contribuições quânticas da gravitação para o vácuo quântico de alguma forma?

Sem chance. Não entendemos como calcular o comportamento da gravidade em altas energias, em pequenas escalas, perto de singularidades ou quando partículas quânticas exibem sua natureza inerentemente quântica. Da mesma forma, não entendemos como o campo quântico que sustenta a gravidade – supondo que exista – se comporta sob quaisquer circunstâncias. É por isso que as tentativas de entender a gravidade em um nível mais fundamental não devem ser abandonadas, mesmo que tudo o que estamos fazendo agora esteja errado. Na verdade, conseguimos identificar o principal problema que precisa ser resolvido para impulsionar a física além de suas limitações atuais: uma grande conquista que nunca deve ser subestimada. As únicas opções são continuar tentando ou desistir. Mesmo que todas as nossas tentativas acabem sendo em vão, é melhor do que a alternativa.

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