Este experimento de pensamento simples mostra por que precisamos da gravidade quântica
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 de saber se a gravidade é quantizada. (LAC ACELERADOR LABORATÓRIO NACIONAL)
Se nossas leis atuais da física não podem prever o que vai acontecer, mesmo probabilisticamente, precisamos de algo novo.
Existem duas teorias que temos que explicam todas as partículas e suas interações no Universo conhecido: a Relatividade Geral e o Modelo Padrão da física de partículas. A Relatividade Geral descreve a gravidade perfeitamente em todos os lugares que já olhamos. Desde as atrações de menor escala que já medimos em laboratório até a expansão e curvatura do espaço devido à Terra, ao Sol, aos buracos negros, às galáxias ou a todo o Universo, nossas observações e medições nunca se desviaram do que temos. observado. O Modelo Padrão é igualmente bem-sucedido para as outras três forças: o eletromagnetismo e as forças nucleares forte e fraca. Todos os experimentos, medições e observações concordaram perfeitamente com essas duas teorias.
Parece ótimo, até você tentar combinar os dois. Se fizermos isso, tudo desmorona. A solução? Precisamos de uma teoria quântica da gravidade. Aqui está o porquê.
A curvatura do espaço-tempo em torno de qualquer objeto massivo é determinada pela combinação de massa e distância do centro de massa. Outras preocupações, como velocidade, aceleração e outras fontes de energia, devem ser levadas em consideração. (T. PYLE/CALTECH/MIT/LIGO LAB)
A partir da teoria da gravidade de Einstein, podemos calcular qual é a curvatura do espaço em qualquer local do Universo, daqui no planeta Terra até as maiores escalas do cosmos. Realizamos experimentos que testaram a lei da força gravitacional em escalas micrométricas e em escalas astrofísicas em ambientes extremos, como o centro galáctico, estrelas de nêutrons em fusão e nas bordas de buracos negros. Até mesmo previsões esotéricas, como a produção de ondas gravitacionais, o efeito de arrastamento de quadros ou a precessão de órbitas planetárias, estão completamente alinhadas com todas as medições que já fizemos. Em todos os casos, a teoria de Einstein descreve perfeitamente a realidade.
O Modelo Padrão da física de partículas é responsável por três das quatro forças (exceto a gravidade), o conjunto completo de partículas descobertas e todas as suas interações. Quarks e léptons são férmions, que possuem uma série de propriedades únicas que as outras partículas (bósons) não possuem. (PROJETO DE EDUCAÇÃO FÍSICA CONTEMPORÂNEA / DOE / NSF / LBNL)
A partir do Modelo Padrão, sabemos como funcionam a eletricidade, o magnetismo, os decaimentos radioativos e as forças nucleares. Pegue qualquer partícula e deixe-a interagir (ou não) com qualquer outra coisa no Universo, e saberemos a distribuição de probabilidade de todos os resultados possíveis. Mesmo que o mundo quântico não seja totalmente determinístico, ainda podemos descrever com sucesso o conjunto esperado de resultados de maneira matematicamente precisa. Se realizarmos o mesmo experimento milhares e milhares de vezes, veremos que os resultados correspondem às nossas melhores previsões quânticas, mesmo para configurações bizarras e não intuitivas.
Mas se dermos uma olhada em uma dessas configurações em particular – o famoso experimento da fenda dupla – podemos ver imediatamente por que uma teoria quântica da gravidade é absolutamente necessária.
As propriedades ondulatórias da luz tornaram-se ainda melhor compreendidas graças aos experimentos de duas fendas de Thomas Young, onde a interferência construtiva e destrutiva se mostrou dramaticamente. Esses experimentos eram conhecidos para ondas clássicas desde o século XVII; por volta de 1800, Young mostrou que eles também se aplicavam à luz. (THOMAS JOVEM, 1801)
Imagine que você tem um conjunto de partículas quânticas: podem ser fótons, neutrinos, elétrons ou qualquer outra coisa. Imagine que você os configurou para bombardear uma pequena área de uma barreira, com duas fendas cortadas na barreira extremamente próximas, para permitir que essas partículas quânticas passem. Atrás da barreira, você configurará uma tela para detectar onde as partículas acabam. Esta é a configuração clássica do experimento de fenda dupla.
Se você enviar um monte de partículas de uma só vez, elas agem como uma onda. As partículas podem passar por uma fenda ou outra, mas interferem. No final do dia, você acaba com um padrão de interferência claramente identificável na tela, da mesma forma que faria com uma onda de água passando por um conjunto semelhante de fendas.
Experimentos de fenda dupla realizados com luz produzem padrões de interferência, como fazem para qualquer onda. As propriedades de diferentes cores de luz são devido aos seus diferentes comprimentos de onda. (GRUPO DE SERVIÇOS TÉCNICOS (TSG) NO DEPARTAMENTO DE FÍSICA DO MIT)
Bem, você não pode ter suas partículas interferindo umas nas outras, então você decide enviá-las uma de cada vez. Você mede onde ela atinge a tela e grava, e então você dispara a próxima partícula. Não importa qual partícula você escolha; se pudermos detectá-lo na tela, veremos o mesmo comportamento. O padrão de interferência se acumula uma partícula por vez, mas emerge claramente. De alguma forma, essas partículas quânticas estão passando por ambas as fendas simultaneamente e estão interferindo em si mesmas.
O padrão de onda para elétrons passando por uma fenda dupla, um de cada vez. Se você medir por qual fenda o elétron passa, você destrói o padrão de interferência quântica mostrado aqui. Observe que mais de um elétron é necessário para revelar o padrão de interferência. (DR. TONOMURA E BELSAZAR DA WIKIMEDIA COMMONS)
Talvez você decida que não é fã dessa estranheza quântica, então decida medir por qual fenda cada partícula passa. Você configura um fotodetector em torno de cada fenda e mede quando uma partícula passa por ela. A primeira partícula passa e você detecta sua passagem pela fenda #2. A segunda chega, e também passa pela fenda #2. A terceira passa pela fenda #1, depois a quarta pela #2, e então a quinta pela #1 novamente. Você repete isso, várias vezes, para milhares de partículas. E quando você olha para o padrão resultante na tela, você encontra algo extremamente problemático: o padrão de interferência desapareceu. Em vez disso, tudo o que você vê é uma pilha de partículas que passou pela fenda #1, junto com outra pilha que passou pela fenda #2. Eles não interferiram.
Se você medir por qual fenda um elétron passa, não obterá um padrão de interferência na tela atrás dele. Em vez disso, os elétrons se comportam não como ondas, mas como partículas clássicas. (WIKIMEDIA COMMONS USER INDUCTIVELOAD)
Isso é estranho! Essa estranheza não intuitiva está no centro do que torna a física quântica e o Modelo Padrão em geral uma ferramenta tão poderosa. Em um nível quântico fundamental, podemos prever com precisão quando você tem esse comportamento quântico e quando não terá, e como será esse comportamento quando aparecer.
Para as forças eletromagnética, nuclear forte e nuclear fraca, isso funciona muito bem. Funciona tão bem que, por mais bizarros que sejam, nenhum experimento repetível jamais discordou de qualquer significado das previsões do Modelo Padrão. E, no entanto, se fizermos a seguinte pergunta simples, não temos como chegar a uma resposta:
O que acontece com o campo gravitacional de um elétron quando ele passa por uma fenda dupla?
O campo gravitacional do elétron, ao passar por uma fenda dupla, se comportaria de maneira diferente se a gravidade fosse fundamentalmente quântica (em baixo) ou não quântica (em cima). (Sabine Hossenfelder)
A razão pela qual não podemos responder é que não conhecemos um grande número de propriedades sobre a gravidade na escala quântica. Não sabemos se a gravidade é quantizada ou não. As partículas devem ser quantizadas, mas a gravidade pode não ser e, se não for, o experimento da fenda dupla daria resultados diferentes do que se fosse.
Não sabemos se o espaço é fundamentalmente discreto (com uma escala de comprimento mínimo) ou contínuo. Se houvesse um comprimento mínimo, haveria um limite de resolução fundamental para nossos experimentos, um que poderíamos encontrar algum dia em energias suficientemente altas. Há perguntas que não podemos responder sobre como a gravidade se comporta sob certas condições experimentais.
Mesmo dois buracos negros em fusão, uma das fontes mais fortes de um sinal gravitacional no Universo, não deixam uma assinatura observável que possa investigar a gravidade quântica. Para isso, teremos que criar experimentos que investiguem o regime de campo forte da relatividade, ou seja, próximo à singularidade, ou que tirem proveito de configurações de laboratório inteligentes. (SXS, O PROJETO SIMULADOR DE ESPAÇOS EXTREMOS (SXS) ( BLACK-HOLES.ORG ))
Sabemos, em princípio, que o campo gravitacional deve permanecer localizado em torno da posição do elétron, assim como para qualquer massa. Mas o que isso significa quando a posição do elétron é inerentemente incerta? O campo gravitacional sempre passa principalmente por uma fenda ou por outra? E o ato de observar (ou não observar) altera o campo gravitacional? E se sim, como?
O campo gravitacional do elétron é fraco; não podemos observá-lo na prática. As equações desenvolvidas por Wheeler, Feynman e DeWitt na década de 1960 descrevem o comportamento esperado de uma partícula no limite de campo fraco da gravidade quântica, mas essas equações nunca foram testadas experimentalmente. Fazer isso está além do reino do que somos capazes, mas há esperança.
A configuração experimental que permitiu a medição de campos gravitacionais e efeitos até massas em escala de miligramas, De Um experimento de prova de princípio micromecânico para medir a força gravitacional de massas de miligramas.
Existem configurações experimentais propostas que nos permitiriam medir o campo gravitacional com mais precisão do que nunca: até massas miligramas. Por outro lado, conseguimos trazer objetos relativamente grandes (em comparação com partículas fundamentais) em superposições quânticas de estados: até massas em escala nanograma. Os níveis exatos de energia desses estados dependem da auto-energia gravitacional total do sistema, tornando este um teste realista e plausível para determinar se a gravidade é quantizada ou não. Quando a tecnologia e as técnicas experimentais avançarem o suficiente, essas duas escalas se cruzarão. Quando esse momento chegar, poderemos investigar o regime gravitacional quântico.
Os níveis de energia de um disco de ósmio em escala de nanogramas e como o efeito da autogravitação (direita) ou não (esquerda) afetará os valores específicos desses níveis de energia. A função de onda do disco e como ela é afetada pela gravitação pode levar ao primeiro teste experimental para saber se a gravidade é realmente uma força quântica. (ANDRÉ GROSSARDT ET AL. (2015); ARQUIVO: 1510.0169)
A descrição que a Relatividade Geral apresenta – a da matéria dizendo ao espaço como se curvar e o espaço curvo dizendo à matéria como se mover – precisa ser aumentada para incluir uma posição incerta que tenha uma distribuição de probabilidade para ela. Se a gravidade é quantizada ou não ainda é uma incógnita, e tem tudo a ver com o resultado de tal experimento hipotético. Como uma posição incerta se traduz em um campo gravitacional, exatamente, continua sendo um problema não resolvido no caminho para uma teoria quântica completa da gravidade. Os princípios subjacentes à mecânica quântica devem ser universais, mas como esses princípios se aplicam à gravidade e, em particular, a uma partícula que passa por uma fenda dupla, é uma grande incógnita de nosso tempo.
Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium graças aos nossos apoiadores do Patreon . Ethan é autor de dois livros, Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .
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