Nova teoria tenta unificar espaço-tempo de Einstein com a mecânica quântica

Redação do Site Inovação Tecnológica - 06/12/2023

Ilustração de um experimento no qual partículas pesadas (a Lua) causam um padrão de interferência (um efeito quântico), ao mesmo tempo que dobram o espaço-tempo. Os pêndulos suspensos representam a medição do espaço-tempo. O experimento real é normalmente realizado usando carbono-60, uma das maiores moléculas conhecidas, mas também pode ser realizado usando átomos de maior densidade, como o ouro.
[Imagem: Isaac Young]

Unificar relatividade e mecânica quântica

Uma equipe de físicos do Colégio Universitário de Londres (UCL) apresentou uma nova teoria radical - eles a chamam de "teoria pós-quântica - que tenta unificar a força da gravidade e a mecânica quântica, preservando ao mesmo tempo o conceito clássico de espaço-tempo de Einstein.

A física moderna se baseia em dois pilares: A teoria quântica, por um lado, que governa as menores partículas do Universo, e a teoria da relatividade geral de Einstein, por outro, que explica a força da gravidade através da curvatura do espaço-tempo, tipicamente envolvendo os maiores corpos do Universo. Mas estas duas teorias estão em contradição entre si, e os físicos tentam reconciliá-las sem sucesso há mais de um século.

Como o modelo padrão da física de partículas não consegue explicar a gravidade, o caminho predominante tem sido o de que a teoria da gravidade de Einstein deve ser modificada, ou "quantizada", para se enquadrar na teoria quântica. Esta é a abordagem das duas principais candidatas a uma teoria quântica da gravidade, a teoria das cordas e a gravidade quântica em circuito fechado - como teriam poder explicativo maior, elas também são chamadas de teoria de tudo.

Mas a nova teoria apresentada agora por Jonathan Oppenheim e seus colegas contesta esse caminho predominante, sugerindo que o espaço-tempo de Einstein pode ser clássico, ou seja, não governado de modo algum pela teoria quântica.

Em vez de modificar o espaço-tempo, a proposta - batizada de "teoria pós-quântica da gravidade clássica" - modifica a teoria quântica e prevê uma quebra intrínseca na previsibilidade que é mediada pelo próprio espaço-tempo. Isto resulta em flutuações aleatórias e violentas no espaço-tempo que são maiores do que o previsto na teoria quântica.

E isto teria um efeito muito prático e que pode ser medido: O peso aparente dos objetos nunca deve ser exato, sendo de fato imprevisível se medido com precisão suficiente.

A pesagem de uma massa restringe qualquer teoria onde o espaço-tempo seja tratado classicamente.
[Imagem: Isaac Young]

Espaço-tempo clássico

A equipe não ficou só na proposta: Os físicos traçaram um roteiro descrevendo algumas das consequências da nova teoria e propuseram experimentos para testá-la.

O experimento fundamental consistiria em medir uma massa com precisão extrema, para ver se o seu peso flutua ao longo do tempo. Por exemplo, o Bureau Internacional de Pesos e Medidas, na França, pesa rotineiramente uma massa de um quilograma (kg), que costumava ser o padrão de 1 kg. Se as flutuações nas medições dessa massa de 1 kg forem menores do que o necessário para a consistência matemática, a teoria pode ser descartada.

"Nós demonstramos que, se o espaço-tempo não tem uma natureza quântica, então deve haver flutuações aleatórias na curvatura do espaço-tempo que têm uma assinatura particular que pode ser verificada experimentalmente. Tanto na gravidade quântica quanto na gravidade clássica o espaço-tempo deve estar passando por flutuações violentas e aleatórias ao nosso redor, mas em uma escala que ainda não fomos capazes de detectar.

"Mas, se o espaço-tempo é clássico, as flutuações têm que ser maiores do que uma certa escala, e esta escala pode ser determinada por outro experimento onde nós testamos por quanto tempo podemos colocar um átomo pesado em superposição de estar em dois locais diferentes," descreveu Zach Weller-Davies, um dos autores da nova teoria.

O princípio é simples, mas agora será preciso desenvolver versões ultraprecisas de duas tecnologias combinadas: A medição da massa e a medição do tempo, para tentar detectar as minúsculas flutuações aleatórias do peso de algum objeto - e garantir que esse objeto seja extremamente estável.

Em 2018, o quilograma recebeu uma nova definição aceita internacionalmente com base em três constantes definidoras: A velocidade da luz, a constante de Planck e a frequência de transição hiperfina do elemento césio. Mas a tecnologia das balanças continua melhorando continuamente.
[Imagem: Lorenz Keck et al. - 10.1140/epjti/s40485-022-00080-3]

Efeito do observador e buracos negros

Esta recém-proposta teoria pós-quântica - tecnicamente ela ainda é uma hipótese - também pode ter implicações além da gravidade. Com ela, o problemático "postulado de medição" da teoria quântica deixa de ser necessário, uma vez que as superposições quânticas necessariamente se localizam - saem da superposição - através de sua interação com o espaço-tempo clássico.

O postulado de medição - também conhecido como postulado de projeção ou postulado de colapso - é um dos princípios fundamentais da mecânica quântica, descrevendo como o ato de medir um sistema quântico afeta esse sistema. Em termos leigos, esse princípio é mais conhecido como efeito do observador, a ideia de que basta observar um sistema quântico para afetar inevitavelmente seu comportamento.

Os tão midiáticos buracos negros também serão "afetados". De acordo com a teoria quântica padrão, um objeto que entra em um buraco negro deveria ser irradiado de volta de algum modo, já que a informação não pode ser destruída, mas isso viola a relatividade geral, que diz que nunca se pode saber nada sobre objetos que cruzam o horizonte de eventos do buraco negro. A nova teoria permite que a informação seja destruída, devido a uma quebra fundamental na previsibilidade.

• Existem também teorias da gravidade rivais das teorias de Einstein

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