Nova teoria une a teoria da relatividade de Einstein com a mecânica quântica

Cientistas propuseram uma teoria inovadora que visa preencher a lacuna entre duas estruturas fundamentais da física moderna: a mecânica quântica e a relatividade geral de Einstein.

Por mais de um século, a mecânica quântica e a relatividade geral de Einstein permaneceram como os pilares da física moderna, mas sua unificação continua sendo um dos maiores desafios da ciência.

Agora, pesquisadores da University College London (UCL) introduziram uma teoria inovadora que desafia as abordagens convencionais para esse problema.

A gravidade quântica busca preencher a lacuna entre o mundo microscópico, onde a mecânica quântica governa o comportamento das partículas, e o reino macroscópico, onde a gravidade molda o espaço-tempo.

Tradicionalmente, os físicos assumiram que a teoria de Einstein deve ser modificada para se encaixar na estrutura quântica. No entanto, os pesquisadores da UCL propõem uma alternativa impressionante: uma "teoria pós-quântica da gravidade clássica" que reexamina a relação fundamental entre esses dois domínios.

A divisão quântico-relatividade

A mecânica quântica, enraizada na probabilidade e nas funções de onda, tem sido notavelmente bem-sucedida na descrição do comportamento subatômico. A relatividade geral, por outro lado, explica precisamente como a gravidade governa o cosmos. No entanto, as tentativas de fundir essas teorias em uma estrutura unificada têm enfrentado obstáculos repetidamente.

Esta última proposta desafia a sabedoria convencional, sugerindo que, em vez de forçar a gravidade em uma estrutura quântica, os pesquisadores devem explorar uma nova perspectiva — uma em que a gravidade clássica interage com sistemas quânticos de maneiras até então inexploradas. As implicações desta teoria podem remodelar nossa compreensão do universo, oferecendo um novo caminho para reconciliar dois dos modelos mais bem-sucedidos, porém conflitantes, da física.

Uma nova abordagem: o espaço-tempo como clássico

Entram o professor Jonathan Oppenheim e sua equipe na UCL, que desafiaram o status quo com sua teoria inovadora. Em dois artigos paralelos publicados simultaneamente, eles propõem uma nova perspectiva que sugere que o espaço-tempo pode permanecer clássico e não afetado pela mecânica quântica.

Esta teoria, conforme descrita em um artigo publicado na Physical Review X (PRX), se abstém de modificar o próprio espaço-tempo e, em vez disso, modifica a teoria quântica.

O princípio central desta teoria é que o espaço-tempo permanece clássico, não sujeito às restrições da teoria quântica. Em vez disso, a teoria quântica é ajustada para explicar a imprevisibilidade intrínseca mediada pelo espaço-tempo. A consequência?

O espaço-tempo experimenta flutuações aleatórias e violentas que excedem as expectativas definidas pela teoria quântica. Essas flutuações, se medidas com precisão suficiente, tornam o peso aparente dos objetos imprevisível.

Para testar sua teoria, os pesquisadores propõem um experimento inovador que visa detectar flutuações na massa ao longo do tempo. Por exemplo, considere uma massa de 1 kg — a medida padrão usada pelo Bureau Internacional de Pesos e Medidas na França. Se as medições dessa massa de 1 kg exibirem flutuações menores do que as necessárias para consistência matemática, isso desafiaria a nova teoria.

Este experimento, que tem implicações de longo alcance para nossa compreensão da gravidade e da mecânica quântica, não é apenas teórico, mas prático. Ele serve como uma conjuntura crítica no debate em andamento entre teorias concorrentes da gravidade quântica. O professor Oppenheim, junto com o professor Carlo Rovelli e o Dr. Geoff Penington, principais proponentes da gravidade quântica em loop e da teoria das cordas, respectivamente, até mesmo fizeram uma aposta de 5000:1 no resultado.

Cinco anos de testes rigorosos

O grupo de pesquisa da UCL, liderado pelo professor Oppenheim, passou os últimos cinco anos desenvolvendo e examinando meticulosamente sua teoria, examinando suas consequências de vários ângulos.

Como o professor Oppenheim coloca, "a teoria quântica e a teoria da relatividade geral de Einstein são matematicamente incompatíveis entre si, então é importante entender como essa contradição é resolvida."

Sua jornada foi marcada pela exploração implacável da natureza fundamental da gravidade e do próprio cosmos, sondando os limites do nosso conhecimento e desafiando noções preconcebidas.

Além do peso da gravidade: implicações da teoria pós-quântica

Embora o foco da teoria pós-quântica seja reconciliar a mecânica quântica e a relatividade geral, suas implicações se estendem muito além do reino da gravidade. Uma consequência notável é a eliminação do notório "postulado de medição" na teoria quântica.

Este postulado, que há muito tempo deixa os físicos perplexos, postula que as medições colapsam as superposições quânticas em estados definidos. Na nova teoria, as superposições quânticas se localizam naturalmente por meio de sua interação com o espaço-tempo clássico, eliminando a necessidade deste postulado.

A jornada do professor Oppenheim para esta teoria inovadora foi motivada por sua tentativa de desvendar os mistérios do paradoxo da informação do buraco negro. De acordo com a teoria quântica padrão, a informação não pode ser destruída.

Portanto, um objeto que entra em um buraco negro deve, de alguma forma, irradiar informações de volta para fora. No entanto, este conceito contradiz diretamente a relatividade geral, que postula que, uma vez que um objeto cruza o horizonte de eventos de um buraco negro, ele se torna inacessível.

A teoria pós-quântica oferece uma perspectiva única, sugerindo que a quebra fundamental na previsibilidade inerente ao espaço-tempo permite que as informações sejam destruídas, resolvendo esse paradoxo de longa data.

A proposta de testar se o espaço-tempo permanece clássico detectando flutuações aleatórias na massa é apenas uma parte do quebra-cabeça.

Outra proposta experimental visa verificar a natureza quântica do espaço-tempo por meio de um fenômeno chamado "emaranhamento mediado gravitacionalmente". Esses experimentos, embora desafiadores, são imensamente promissores no avanço de nossa compreensão das leis fundamentais da natureza.

O professor Sougato Bose, um especialista na área que não estava envolvido no recente anúncio da UCL, mas já havia proposto o experimento de emaranhamento, enfatizou a importância desses esforços, afirmando: "Os experimentos para testar a natureza do espaço-tempo exigirão um esforço em larga escala, mas são de grande importância da perspectiva da compreensão das leis fundamentais da natureza. Acredito que esses experimentos estão ao nosso alcance — essas coisas são difíceis de prever, mas talvez saibamos a resposta nos próximos 20 anos."

No cerne desta teoria está uma interação delicada entre partículas quânticas, como átomos, e as flutuações no espaço-tempo clássico. Essas flutuações, se a teoria for válida, devem ocorrer em uma escala ainda a ser detectada, mas devem ser grandes o suficiente para impactar o comportamento das partículas quânticas.

Os experimentos propostos buscam encontrar esse equilíbrio elusivo, esclarecendo se o espaço-tempo permanece clássico ou sucumbe à mecânica quântica em escalas microscópicas.

Nas palavras do Professor Oppenheim, "Agora que temos uma teoria fundamental consistente na qual o espaço-tempo não é quantizado, é uma incógnita." A jornada apenas começou, e o futuro da física nunca pareceu mais intrigante.

Informações básicas

Informações básicas sobre a mecânica quântica: toda a matéria no universo obedece às leis da teoria quântica, mas só observamos realmente o comportamento quântico na escala de átomos e moléculas.

A teoria quântica nos diz que as partículas obedecem ao princípio da incerteza de Heisenberg, e nunca podemos saber sua posição ou velocidade ao mesmo tempo. Na verdade, eles nem sequer têm uma posição ou velocidade definida até que os medimos.

Partículas como elétrons podem se comportar mais como ondas e agir quase como se pudessem estar em muitos lugares ao mesmo tempo (mais precisamente, os físicos descrevem as partículas como estando em uma "superposição" de diferentes localizações).

A teoria quântica governa tudo, desde semicondutores que são onipresentes em chips de computador, a lasers, a supercondutividade e decaimento radioativo. Em contraste, dizemos que um sistema se comporta classicamente se tiver propriedades subjacentes definidas. Um gato parece se comportar classicamente - ele está morto ou vivo, não ambos, nem em uma superposição de estar morto e vivo.

Por que os gatos se comportam classicamente e pequenas partículas quanticamente? Não sabemos, mas a teoria pós-quântica não requer o postulado de medição, porque a classicidade do espaço-tempo infecta sistemas quânticos e faz com que eles se localizem.

Contexto da gravidade: a teoria da gravidade de Newton deu lugar à teoria da relatividade geral (RG) de Einstein, que sustenta que a gravidade não é uma força no sentido usual. Em vez disso, objetos pesados como o sol dobram o tecido do espaço-tempo de tal forma que faz com que a Terra gire em torno dele.

Matéria traduzida do site Thebrigthside.new publicado pelo jornalista JOSEPH SHAVIT.