Espaço formado por átomos de espaço unifica mecânica quântica e relatividade

Redação do Site Inovação Tecnológica - 04/04/2025

Apesar de muitas tentativas, nunca encontramos um gráviton, a hipotética partícula fundamental da gravidade.
[Imagem: Jiehui Liang et al. - 10.1038/s41586-024-07201-w]

Em busca da unificação

Físicos alemães abriram uma nova rota que pode unificar os campos da mecânica quântica e da teoria da relatividade, que insistem em não entrar em acordo, apesar de quase um século de tentativas de apaziguamento.

Existem quatro forças fundamentais no Universo: gravidade, eletromagnetismo, a interação fraca e a interação forte - a relatividade geral descreve a gravidade, enquanto a teoria quântica lida com as outras três forças. Normalmente isso não tem consequências importantes, já que a relatividade geral é usada principalmente para calcular o comportamento de grandes massas no Universo, enquanto a teoria quântica foca no mundo das coisas muito pequenas, nas dimensões dos átomos.

Contudo, para entender melhor fenômenos-chave, como o Big Bang ou os buracos negros, é necessário um modelo que una os dois conceitos, elaborando uma teoria quântica da gravidade, ou uma gravidade quântica.

Por exemplo, a relatividade geral afirma que toda a matéria em um buraco negro é unida em um ponto minúsculo, chamado singularidade. Ora, para entender como as forças gravitacionais gigantescas do buraco negro agem no microcosmo, onde são as leis da mecânica quântica que se aplicam, é necessário acomodar as duas teorias em um arcabouço unificado.

E há mais: A teoria da gravidade quântica pode virar de cabeça para baixo nosso conceito de causalidade, já que os conceitos de causa e efeito parecem não se aplicar aos buracos negros.

"O tempo determina a relação entre causa e efeito - as causas estão no passado, os efeitos no futuro," explica o professor Wolfgang Wieland, da Universidade Erlangen-Nurnberg. "Essa suposição está firmemente inserida na mecânica quântica. No entanto, a relatividade geral prevê que grandes massas curvam o espaço-tempo devido à sua gravidade. Em um buraco negro, esse efeito é tão extremo que os termos 'antes' e 'depois' não têm significado. Isso tem enormes implicações para nossa compreensão de causa e efeito."

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Na verdade, sabemos bem pouco sobre a gravidade.
[Imagem: Sandbox Studio/Ana Kova]

Quantum de gravidade e quantum de espaço

Um dos maiores problemas para a unificação das duas teorias é justamente a quantização, a ideia central na mecânica quântica de que tudo pode ser desmembrado até os quanta, os menores pacotes possíveis de qualquer coisa.

Os chamados observáveis, como a energia ou o momento angular, só podem assumir valores discretos, e não valores contínuos. Isso também afeta as interações eletromagnéticas e as forças fraca e forte, que também são quantizadas. Mas ninguém conseguiu quantizar a gravidade.

O professor Wieland acredita ter encontrado um atalho: Quantizar o espaço e o tempo. Quando dividimos o espaço-tempo em pequenas unidades discretas, a gravidade, que é um fenômeno macroscópico, pode ser explicada pela teoria quântica.

"Nossa abordagem é que o espaço e o tempo em si não são contínuos, mas consistem em pequenas porções," explica ele. "Se essa tese estiver correta, então a gravidade também pode ser descrita com a ajuda da teoria quântica."

Não é a primeira vez que os físicos propõem a existência de "átomos de espaço", ou seja, de que o espaço seria formado por unidades fundamentais. Esse ponto de vista está incluído em outra proposta controversa, a de que o Universo é um Holograma. Mas ainda estamos aquém das condições técnicas para comprovar a ideia.

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Nem onda e nem partícula: Fragmento de energia pode ser a unidade fundamental do Universo.
[Imagem: Anthony Dunnigan]

O espaço-tempo é granular?

Em um espaço-tempo quantizado, uma bola não descreve uma trajetória suave e contínua do pé do jogador até a rede - ela dá passos definidos de uma posição à outra. Da mesma forma, não há relógio que divida a passagem do tempo em intervalos arbitrariamente finos - ele progride em passos, como o ponteiro dos segundos de um relógio analógico. No mundo macroscópico, esses passos não são percebidos porque são extremamente pequenos.

Um elemento importante nesse conceito de espaço-tempo quantizado consiste nas unidades de Planck - cunhadas por Max Planck (1858-1947) -, um sistema fundamental de unidades que podem ser construídas unicamente a partir da velocidade da luz e das constantes naturais da gravidade e da teoria quântica.

Outra constante, a potência de Planck, pode ser calculada a partir das unidades de Planck. Wieland está focando sua nova proposta na potência de Planck. "Nossa compreensão atual é que a potência - isto é, a quantidade de energia que pode ser emitida por unidade de tempo - pode se tornar infinitamente grande em nosso Universo," explica ele. "Isso faz com que algumas das equações parciais em uma descrição teórica quântica da gravidade se tornem insolúveis."

O que ele conseguiu demonstrar agora é que, em um espaço-tempo quantizado, há um limite superior para a potência. Esse limite, que, como a velocidade da luz, não pode ser excedido, é justamente a potência de Planck - ela é inimaginavelmente grande, com 10⁵³ watts, mas ainda assim limitada.

"Se minhas considerações teóricas se comprovarem verdadeiras, será possível decompor o poder das ondas gravitacionais nos menores quanta," explicou Wieland. Esse é o problema que ele abordará a seguir, juntamente com a questão de como a gravidade influencia a estrutura causal do mundo.

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