Gravidade foi a primeira força fundamental que a humanidade reconheceu, mas continua a ser a menos compreendida. Os físicos podem prever a influência da gravidade nas bolas de boliche, estrelas e planetas com precisão primorosa, mas ninguém sabe como a força interage com partículas minúsculas, ou quanta. A busca de quase um século por uma teoria da gravidade quântica – uma descrição de como a força funciona para as menores peças do universo – é impulsionada pela simples expectativa de que um livro de regras gravitacionais deve governar todas as galáxias, quarks e tudo o que está entre eles.
“Se não há teoria , então o Universo é apenas o caos. É apenas aleatório”, disse Netta Engelhardt, uma física teórica do Instituto de Tecnologia de Massachusetts. “Eu não posso nem mesmo dizer que seria caótico ou aleatório porque esses são, na verdade, processos físicos legítimos”
O limite da relatividade geral
No coração do problema mais espinhoso da física teórica está um choque entre os dois maiores triunfos do campo”. A teoria da relatividade geral de Albert Einstein substituiu a noção de atração simples de Isaac Newton entre objetos com uma descrição da matéria ou energia curvando espaço e tempo em torno dela, e objetos próximos seguindo esses caminhos curvos, agindo como se fossem atraídos uns pelos outros. Nas equações de Einstein, a gravidade é a forma do próprio espaço. A sua teoria manteve a descrição tradicional de um universo clássico e suave – um universo onde se pode sempre ampliar mais para um pedaço menor de espaço.
A relatividade geral continua a ser o ás de cada teste que os astrofísicos lhe fazem, incluindo situações que Einstein nunca poderia ter imaginado. Mas a maioria dos especialistas espera que um dia a teoria de Einstein fique aquém das expectativas, porque o universo acaba por parecer acidentado, não liso. Planetas e estrelas são realmente coleções de átomos, que, por sua vez, são formados por elétrons e feixes de quarks. Essas partículas pendem juntas ou se separam pela troca de outros tipos de partículas, dando origem a forças de atração e repulsão.
Forças elétricas e magnéticas, por exemplo, vêm de objetos trocando partículas conhecidas como fótons virtuais. Por exemplo, a força que cola um íman ao frigorífico pode ser descrita como um campo magnético clássico e suave, mas os detalhes finos do campo dependem das partículas quânticas que o criam. Das quatro forças fundamentais do universo (gravidade, eletromagnetismo e forças nucleares fortes e fracas), apenas a gravidade carece da descrição “quântica”. Como resultado, ninguém sabe ao certo (embora existam muitas idéias) de onde vêm os campos gravitacionais ou como as partículas individuais agem dentro deles.
A estranha força para fora
O problema é que apesar da gravidade nos manter presos ao solo e geralmente agir como uma força, a relatividade geral sugere que é algo mais – a forma do próprio espaço. Outras teorias quânticas tratam o espaço como um pano de fundo plano para medir a distância e a rapidez com que as partículas voam. Ignorar a curvatura do espaço para as partículas funciona porque a gravidade é muito mais fraca do que as outras forças que o espaço parece plano quando se faz zoom em algo tão pequeno como um electrão. Os efeitos da gravidade e da curvatura do espaço são relativamente óbvios em níveis mais ampliados, como planetas e estrelas. Mas quando os físicos tentam calcular a curvatura do espaço em torno de um elétron, por mais leve que seja, a matemática torna-se impossível.
No final dos anos 40, os físicos desenvolveram uma técnica, chamada renormalização, para lidar com os caprichos da mecânica quântica, que permite que um elétron apimente uma viagem enfadonha de uma infinita variedade de maneiras. Ele pode, por exemplo, disparar um fóton. Esse fóton pode se dividir em um elétron e seu gêmeo antimatéria, o positron. Esses pares podem então disparar mais fotões, que se podem dividir em mais gémeos, e assim por diante. Enquanto um cálculo perfeito exigiria contar a infinita variedade de viagens por estradas de elétrons, a renormalização permite aos físicos reunir as possibilidades indisciplinadas em poucos números mensuráveis, como a carga de elétrons e a massa. Eles não poderiam prever esses valores, mas poderiam ligar os resultados dos experimentos e usá-los para fazer outras previsões, como para onde o elétron está indo.
Renormalização deixa de funcionar quando partículas teóricas de gravidade, chamadas gravitons, entram em cena. Os gravitões também têm sua própria energia, o que cria mais empenos do espaço e mais gravitões, que criam mais empenos, e mais gravitões, e assim por diante, geralmente resultando em uma grande confusão matemática. Mesmo quando os físicos tentam empilhar alguns dos infinitos para medir experimentalmente, eles acabam se afogando em um número infinito de pilhas.
“Isso significa efetivamente que você precisa de um número infinito de experimentos para determinar qualquer coisa”, disse Engelhardt, “e essa não é uma teoria realista”,
Na prática, esta falha em lidar com a curvatura em torno das partículas torna-se fatal em situações em que muita massa e energia torcem o espaço tão apertado que mesmo os elétrons e seus males não podem deixar de notar – como no caso dos buracos negros. Mas quaisquer partículas muito próximas – ou pior, no interior – dos buracos do espaço-tempo certamente conhecem as regras do engajamento, mesmo que os físicos não saibam.
“A natureza encontrou uma maneira de fazer buracos negros existir”, Robbert Dijkgraaf, diretor do Institute for Advanced Study in Princeton, New Jersey, escreveu em uma publicação para o instituto. “Agora cabe-nos a nós descobrir o que a natureza sabe e nós ainda não sabemos.”
Bringing gravity into the fold
Usando uma aproximação da relatividade geral (Engelhardt chamou-lhe “Band-Aid”), os físicos desenvolveram uma noção de como poderiam ser os gravitões, mas ninguém espera ver um em breve. Uma experiência sugere que seriam necessários 100 anos de experimentação por um colisor de partículas tão pesado como Júpiter para detectar um. Então, entretanto, os teóricos estão repensando a natureza dos elementos mais fundamentais do universo.
Uma teoria, conhecida como gravidade quântica em loop, visa resolver o conflito entre partículas e espaço-tempo dividindo o espaço e o tempo em pequenos pedaços – uma resolução final para além da qual nenhum zoom pode ter lugar.
A teoria das cordas, outra estrutura popular, adota uma abordagem diferente e troca partículas por cordas semelhantes a fibras, que se comportam melhor matematicamente do que as suas contrapartidas pontuais. Esta simples mudança tem consequências complexas, mas uma característica agradável é que a gravidade simplesmente cai fora da matemática. Mesmo se Einstein e seus contemporâneos nunca tivessem desenvolvido a relatividade geral, disse Engelhardt, os físicos teriam tropeçado nela mais tarde através da teoria das cordas. “Acho isso bastante milagroso”, disse ela.
E os teóricos das cordas descobriram mais pistas de que eles estão em um caminho produtivo nas últimas décadas, de acordo com Engelhardt. Simplificando, a própria idéia de espaço pode estar distraindo os físicos de uma estrutura mais fundamental do universo.
Os teóricos descobriram no final dos anos 90 que as descrições de um universo simples, em forma de caixa, incluindo a gravidade eram matematicamente equivalentes a uma imagem de um universo plano com apenas física quântica (e sem gravidade). A capacidade de saltar entre as descrições sugere que o espaço pode não ser um ingrediente fundamental do cosmos mas sim um efeito colateral que emerge das interacções entre partículas.
Por mais difícil que seja para nós mortais embutidos no tecido do espaço imaginar, a relação entre o espaço e as partículas pode ser algo como a relação entre a temperatura ambiente e as moléculas do ar. Os físicos uma vez pensaram no calor como um fluido que fluía de uma sala quente para uma sala fria, mas a descoberta das moléculas revelou que o que sentimos como temperatura “emerge” da velocidade média das moléculas do ar. O espaço (e equivalentemente, a gravidade) pode igualmente representar a nossa experiência em larga escala de alguns fenômenos de pequena escala. “Dentro da teoria das cordas, há boas indicações neste ponto de que o espaço é realmente emergente”, disse Engelhardt.
Mas o universo da teoria das cordas numa caixa tem uma forma diferente daquela que vemos (embora Engelhardt tenha dito que essa diferença pode não ser um quebra-cordos, uma vez que a gravidade quântica poderia agir da mesma forma para todas as formas possíveis do universo). Mesmo que as lições do universo da caixa se apliquem na realidade, a estrutura matemática permanece áspera. Os físicos estão muito longe de cortar seus laços teóricos com o espaço e conseguir uma descrição precisa da gravidade quântica em toda a sua glória acidentada.
Embora continuem a trabalhar os substanciais nós matemáticos nas suas respectivas teorias, alguns físicos alimentam a esperança de que as suas observações astrofísicas possam um dia empurrá-los na direcção certa. Nenhuma experiência até agora tem divergido das previsões da relatividade geral, mas no futuro, um conjunto diverso de detectores de ondas gravitacionais sensíveis a muitos tamanhos de ondas poderá captar os sussurros sutis dos gravitões. Contudo, Engelhardt disse, “o meu instinto seria olhar para o cosmos em vez de olhar para os colididores de partículas”
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