Como a luz viaja para a terra de galáxias distantes, sua estrada através do cosmos pode não ser suave. Uma característica teórica do universo chamada “espuma quântica” poderia fazer com que o espaço e o tempo fiquem ásperos e caóticos em escalas muito pequenas. Alguns modelos sugerem que os cientistas poderiam ver o efeito desta espuma em um grande grupo de fótons que percorrem uma distância muito longa.
Um grupo de pesquisadores decidiu tentar observar sinais da espuma quântica na luz coletada por potentes telescópios em torno da terra. Como nenhuma evidência direta da espuma foi encontrada, os pesquisadores têm eliminado duas teorias possíveis de como ela se comporta e colocaram um novo limite em seu tamanho.
Um universo borbulhante
Percebemos que o Universo é composto de três dimensões do espaço e outra dimensão de tempo, que juntas formam uma única malha que Albert Einstein apelidou de “espaço-tempo.” Para coisas como pessoas, planetas, estrelas e nada maior do que um átomo, o espaço-tempo é suave. Objetos grandes movem-se por ele como um carro dirigindo por uma estrada recém pavimentada.
Por outro lado, em escalas muito, muito (muito, mais muito) pequenas, o Universo pode ser espumante e em constante mudança. Esta é uma característica teórica do Universo conhecido como espuma quântica.
“Uma maneira de pensar na espuma do espaço-tempo é imaginar que você está voando sobre o oceano em [um] avião: ele parece completamente liso,” disse Eric Perlaman, professor de física e ciências espaciais do Florida Institute of Technology e principal autor da nova pesquisa, em um comunicado do centro de raios-x Chandra. “No entanto, se você conseguir baixar mais o avião o suficiente, irá ver as ondas mais perto ainda, espumas, com pequenas bolhas que flutuam constantemente.”
Um barco que viaja sobre a superfície do oceano não iria experimentar qualquer efeito mensurável da espuma, mas talvez de objetos muito pequenos. A nova pesquisa de Perlam seus colegas foi uma tentativa de observar os efeitos de espuma quântica em partículas de luz.
Os solavancos e bolhas criadas pela espuma quântica não são obstáculos no caminho de um fóton; são alterações do tecido da realidade na qual os fótons se movem através. Se a espuma quântica não existir, então dois fótons, deixando o ponto A podem essencialmente viajar em um caminho suave, mesmo ao ponto B. Mas se a espuma quântica existir e estiver causando mudanças constantes no tecido da realidade, então os dois fótons efetivamente viajariam um caminho ligeiramente diferente entre esses dois pontos, disse Perlaman.
Alguns modelos de espuma quântica sugerem que este efeito fariam com que os fótons ficassem fora de fase um com o outro, e isso poderia potencialmente distorcer objetos quando um observador da Terra olhar o espaço (efeito análogo as lentes gravitacionais na Relatividade Geral).
“É como se você estivesse tentando ouvir o som que foi criado por alto-falantes que estão fora de fase com o outro, você terá ruídos,” disse Perlaman.
Perlman e seus colegas foram à procura de provas de tais distorções nas observações de galáxias muito distantes chamadas quasares (alguns dos modelos de espuma quântica também preveem que os efeitos se tornam mais pronunciados em distâncias mais longas). Esses quasares são também alguns dos objetos mais brilhantes do universo. No centro de um quasar existe um buraco negro supermassivo, cercado por uma enorme quantidade de gás, poeira e outras matérias. A medida que a matéria é puxada para o buraco negro, ele irradia luz suficiente para ofuscar todas as estrelas que vivem na galáxia.
A impressão artística de um quasar, uma galáxia brilhante que irradia mais luz do que todas as estrelas da galáxia combinadas. Os cientistas recentemente utilizaram a luz de quasares para caçar uma característica teórica do Universo chamada espuma quântica. Crédito: NASA / ESA / G.Bacon, STScI
A equipe construiu simulações de computador que mostraram como a espuma quântica afetaria as observações de quasares por telescópios na terra. Eles então compararam essas projeções com imagens reais de três telescópios poderosos: o Observatório de raios-x Chandra, o Fermi Gamma-ray Space Telescope e Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System (VERITAS).
As imagens observadas pelos telescópios não mostraram o tipo de distorção ou desfoque antecipado por dois modelos de espuma quântica que os pesquisadores testaram. Segundo eles isso indica que os modelos estão incorretos.
“Os dados do Chandra excluem especificamente um modelo que já pensávamos que estava em apuros – [o chamado] modelo de passeio aleatório,” Perlman disse. Dados do “VERITAS e do Fermi descartam um outro modelo que pensamos que não estava com problemas e que é um modelo que tem sido chamado o modelo holográfico.”
Então o espaço-tempo parece ser suave, pelo menos em escalas maiores que o diâmetro de um milésimo de um próton (embora a maioria dos modelos predizem que a espuma quântica opera em escalas muito pequenas).
Há um modelo de espuma quântica que ainda está de pé. Este modelo prevê que a distorção dos efeitos não serão amplificadas por longas distâncias, o que significa que olhar quasares distantes não vai ajudar os cientistas encontrarem provas da espuma quântica. No momento, este parece ser o único modelo seguro.
Observações de quasares distantes em raios X do Chandra (seis melhores imagens) e os telescópios de raios gama estão ajudando os cientistas a testarem a natureza do espaço-tempo em escalas extremamente pequenas. Esta ilustração artística (em baixo) descreve como a estrutura espumosa do espaço-tempo pode parecer, mostrando bolhas minúsculas quatrilhões de vezes menores que o núcleo de um átomo (cerca de 10^(-33) m) que estão em constante flutuação e duram por apenas frações infinitesimais de segundo. Crédito: Chandra X- ray Observatory ACIS Image.
Combinando o Grande e o Pequeno
Giovanni Amelino-Camelia, um físico teórico da Universidade Sapienza de Roma, disse em um e-mail que trabalhar para colocar limites na espuma quântica é “extremamente importante”, e que Perlman e seus colegas são “um grupo muito forte, para cujo trabalho eu tenho bastante consideração.”
No entanto, ele também adverte que, devido a diversas limitações, os modelos utilizados em estudos que tratam de espuma quântica são “brutos”, e, portanto, os resultados devem ser “interpretados com muito cuidado.” (Isto inclui o seu próprio trabalho em espuma quântica, disse ele).
A espuma quântica surgiu de tentativas de resolver um dos maiores mistérios da física moderna: como unir a relatividade geral (a teoria da gravidade) e a mecânica quântica.
“Ambos mecânica quântica e a relatividade geral, têm sido um enorme sucesso. Eles são dois dos maiores sucessos que a física moderna teve no século passado”, disse Perlman. “E, no entanto, por alguma razão que não entendemos, quando você tenta escrever gravidade na linguagem da mecânica quântica, se torna uma tarefa muito difícil. E até agora não foi feito.”
A espuma quântica poderia ser uma das peças do tabuleiro em falta – a única coisa que reúne o grande (gravidade) e o pequeno (quântica). Mas não está claro como os cientistas podem provar a existência de uma característica tão incrivelmente minúscula do universo.
Traduzido e adaptado de Space