O que é Loop Quantum Gravity? Definição e princípios - Médico - 2023

Contente

Podemos não saber, mas uma batalha sem precedentes está ocorrendo no mundo da Física. Uma guerra que busca encontrar o "Rei de Todos". Uma guerra para encontrar a teoria que, de uma vez por todas, unifica a mecânica quântica com a relatividade geral, a maior ambição da história da ciência.

E as rivais são duas teorias inimigas: a Teoria das Cordas e a gravidade quântica em loop. Claro que você conhece a Teoria das Cordas. Já ouvimos falar deles inúmeras vezes, pois, neste momento, é aquele que está ganhando a batalha. Mas seria injusto não prestar atenção à chamada “irmã feia”: a gravidade quântica em loop.

Esta teoria, que nasceu em 1986 (quase 20 anos após a formulação da Teoria das Cordas) sendo formulada por Abhay Ashtekar, um físico indiano, mistura os mundos aparentemente incompatíveis da relatividade geral e da mecânica quântica e é um dos candidatos mais fortes para a Teoria de Tudo.

Mas o que essa teoria nos diz? Prepare-se para a sua cabeça explodir, porque hoje vamos falar sobre como é possível que o espaço-tempo seja uma rede de amarras tecidas em uma espécie de espuma dentro de uma malha infinita. Sim, nada foi entendido. Isso é maravilhoso. Comecemos.

Recomendamos que você leia: “O que é Teoria das Cordas? Definição e princípios "

Relatividade Geral, Mecânica Quântica e o Problema da Gravidade

Antes de analisarmos o que é a gravidade quântica em loop, devemos entender por que tivemos que formular essa teoria e a teoria das cordas. E, para isso, devemos recuar mais de cem anos no passado. Entre 1956 e 106, Albert Einstein publicou a famosa Teoria da Relatividade Geral.

Com esta teoria do campo gravitacional, o mundo da física muda para sempre. Einstein revolucionou a concepção do Universo ao descartar a concepção de um Cosmos tridimensional (com três dimensões espaciais) e afirmar que o Universo é, na verdade, quadridimensional. Às três dimensões espaciais ele acrescenta uma dimensão temporal (tempo), uma vez que o tempo não é algo universal, mas sim relativo.

Nesse sentido, a Relatividade Geral afirma que vivemos em um Universo de quatro dimensões em que as três dimensões espaciais e temporais formam um único tecido: espaço-tempo. Um tecido contínuo (e lembre-se disso continuamente) capaz de se curvar e moldar dependendo das forças que o afetam. E é precisamente a curvatura do espaço-tempo que explica a natureza da gravidade.

Com essa teoria da relatividade geral, os físicos ficaram muito felizes. Durante um tempo. Pouco tempo, na verdade. E é que embora as previsões da teoria relativística sirvam para explicar o funcionamento do Universo no nível macroscópico e mesmo no nível atômico (dos planetas aos átomos das moléculas do nosso corpo), todos esses cálculos entram em colapso quando nós entrar no nível das partículas subatômicas.

Ao cruzar a fronteira do átomo, entramos em um novo mundo que não segue as regras do jogo da física que conhecemos. Um mundo que não funciona de acordo com a relatividade geral. O mundo quântico. E sendo um mundo que segue suas próprias leis, era necessário criar seu próprio arcabouço teórico: o da mecânica quântica.

Assustados, os físicos tentaram ver se era possível entender a natureza elementar das quatro forças fundamentais do Universo: eletromagnetismo, força nuclear fraca, força nuclear forte e gravidade. Os três primeiros podem ser entendidos de uma perspectiva quântica, mas a gravidade não.

Não fomos capazes de entender a origem quântica da gravidade. Algo estava errado e isso estava nos impedindo de juntar o mundo quântico ao da relatividade geral. A natureza elementar da atração gravitacional é o que nos impediu (e continua a nos impedir) de unificar as leis do Universo.

Os físicos estão por trás de décadas de uma teoria que consegue encaixar a gravidade no modelo quântico. E, hoje, as duas teorias que mais se aproximam disso são, por um lado, a famosa Teoria das Cordas e, por outro lado, a menos popular (mas muito promissora) Teoria do Loop Quântico. E agora que entendemos que ele tinha que ambos tiveram que ser formulados porque a gravidade não poderia ser explicada no nível quânticoVamos ver o que a gravidade quântica em loop nos diz.

Recomendamos que você leia: “O que é relatividade geral? Definição e princípios "

O que a Teoria da Gravidade Quântica de Loop nos diz?

Faremos uma coisa. Primeiro, vamos definir o que essa teoria diz. E então, como nada foi entendido, iremos devagar. Gravidade quântica de loop o Loop Quantum Gravity é uma teoria que busca compreender a natureza elementar da trama do espaço-tempo, supondo que, na escala de Planck, o referido espaço-tempo não seja contínuo, mas consiste em uma rede de spin em que os loops se entrelaçam em uma malha infinita. A unidade elementar de espaço-tempo seria laços tecidos em uma espécie de espuma quântica.

Nós o avisamos que nada seria entendido. Quem Prevenido está preparado. Mas agora vamos aos poucos. Ano 1967. Bryce Dewitt, físico teórico americano, inicia um trabalho no qual tenta quantificar a gravidade. Em outras palavras, incluindo a gravidade no mundo quântico, que é o que estava (e ainda está) na moda.

E o que ele fez? Basicamente, dizer que o espaço do Universo seria difuso e que seguiria uma função de onda típica do que se observa no mundo quântico. Digamos que você teorizou a probabilidade de que o espaço-tempo não seguiria as leis da relatividade geral (que é o que acreditamos), mas se comportaria como as partículas subatômicas.

A hipótese era muito boa. Pelo menos para físicos. Mas havia um problema. Nesse caso, a expansão do Universo não seria contínua, mas ocorreria aos trancos e barrancos. Porque no nível quântico, a energia é propagada por quanta (daí o nome), ou seja, "pacotes" de energia. Em nosso mundo relativístico, a energia é contínua. Mas se o espaço-tempo estiver de acordo com as leis quânticas, isso significa que o Universo teria que se expandir em quanta. E isso não fazia sentido.

O que Dewitt fez então? Jogue sua teoria fora. Felizmente, em 1986, Abhay Ashtekar, um físico indiano, que sempre defendeu a visão de Dewitt, resgatou essa teoria do lixo. Falando metaforicamente, é claro. Ele estava convencido de que Dewitt estava no caminho certo, só não tinha se concentrado bem no problema.

Ashtekar, então, começou a unir as teorias quânticas de Dewitt com a Relatividade Geral de Einstein. Se a única coisa que falhou foram as não linearidades no espaço-tempo (não poderia ser que o Universo se expandisse aos saltos), a solução seria, sim ou sim, evitá-las. E ele entendeu? Sim como? Reformulando as teorias da relatividade geral de Einstein. Que valor. Ashtekar foi corajoso.

Toda a Teoria da Relatividade Geral de Einstein baseou-se na concepção de um espaço-tempo em que os comprimentos explicam a métrica desse espaço-tempo. A visão de Einstein do espaço-tempo é baseada em comprimentos. Bem, Ashtekar modifica o quadro teórico. E, além disso, de duas maneiras.

Por um lado, ele deixa de conceber o espaço e o tempo como dois conceitos indissociáveis. Eles ainda estão relacionados, é claro, mas o bloco de espaço-tempo que era tão sólido não é mais tão sólido. Por outro lado, em vez de se basear em comprimentos, é em áreas. Ou seja, passamos de estudar longitudes no espaço-tempo para estudar áreas apenas dentro do espaço (não no tempo). Pode parecer irrelevante, mas com isso, Ashtekar não apenas abriu as portas da gravidade quântica em loop, mas também alcançou uma unificação matemática da mecânica quântica e da relatividade geral.

Matemática. Mas uma coisa são os números e a outra é a realidade. Ashtekar foi incapaz de alcançar a unificação física. Ou seja, ainda não podíamos explicar a natureza elementar da gravidade no nível quântico. Felizmente, três físicos, alguns anos depois, recolheram o testemunho do físico indiano.

Theodore Jacobson, Lee Smolin e Carlo Rovelli, durante a década de 1990, pegaram as teorias de Ashtekar e desenvolveram a teoria do loop quântico. E é aí que sua cabeça vai começar a explodir. Eles perceberam que o problema da visão de Ashtekar era que ela se baseava nas equações de Dewitt, que levavam a resultados impossíveis quando a gravidade entrava em ação.

Esses três físicos levantam a hipótese de que a natureza elementar do espaço-tempo seria loops. O que significa isto? Bem, novamente, vamos aos poucos. A base desta teoria é que o espaço-tempo não é contínuo. Einstein acreditava que o espaço-tempo poderia ser infinitamente dividido. E de acordo com essa teoria, não. O espaço-tempo seria granulado. Eu teria quantos. Vamos lá, seria como os pixels na tela do seu celular, para que possamos nos entender.

E esse espaço-tempo que percebemos, no nível macroscópico, como um tecido contínuo, seria na verdade feito de loops no nível quântico. Esses laços seriam uma espécie de laços que se entrelaçam para dar origem ao espaço-tempo. Isto é, ao contrário da Teoria das Cordas, em que olhamos para a natureza elementar das partículas subatômicas (e dizemos que são cordas vibrantes unidimensionais), aqui olhamos para a natureza elementar do espaço-tempo.

Na menor escala possível, que é o comprimento de Planck (a menor distância que pode existir entre dois pontos no Universo, que equivale a 10 elevada a -35 metros), o espaço-tempo não seria uma malha contínua, mas uma espécie de espuma formada por laços entrelaçados ou laços que dão origem ao referido espaço-tempo.

São os nós das voltas que tecem o espaço-tempo do Universo. Eu estou loops ou loops são emaranhados formando o que é conhecido como uma rede de spin, que representa o estado quântico de um campo gravitacional. Em outras palavras, a atração gravitacional gerada por um corpo depende de como os loops de espaço-tempo que o contêm se entrelaçam. Uma rede de rotação não está em nenhum espaço. É, diretamente, o próprio espaço.

Como podemos ver, estamos explicando a natureza quântica da gravidade, pois isso se explica no nível quântico pela presença de loops em escala quântica e que dão origem ao espaço-tempo que, pela relatividade geral, é capaz de se curvar. Estamos unificando a mecânica quântica com a relatividade de Einstein.

E, além disso, ao contrário do que acontece com a Teoria das Cordas, não precisamos introduzir 10 dimensões em nosso arcabouço teórico (11, se entrarmos na Teoria M), mas sim as quatro dimensões que sabemos que nos servem. Além disso, é uma teoria única (para o modelo das cordas, existem 5 teorias diferentes) e não surgem coisas estranhas como as 10 elevadas para 500 combinações possíveis de Universos ou branas onde as cordas estão ancoradas.

Então, por que a gravidade quântica em loop não é mais popular? Por que a batalha contra a Teoria das Cordas não está ganhando nas ruas? Basicamente, por uma razão: a gravidade quântica de loop é uma teoria da gravidade. Das quatro forças fundamentais, apenas uma explica: atração gravitacional.

A Teoria das Cordas, embora o force a pensar em 10 dimensões (6 das quais não podemos e nunca seremos capazes de perceber), explica a natureza elementar de todas as quatro, incluindo a gravidade. Ainda assim, ambas as teorias estão incompletas. Ainda há muito a estudar e muitas descobertas a fazer antes de chegar à tão esperada Teoria de Tudo. Qual lado você escolhe?

Recomendamos que você leia: “O que é a Teoria-M? Definição e princípios "