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Um modelo de como as ondas são formadas por sistemas quânticos em colapso revela uma forma de criar campos gravitacionais, e talvez até mesmo conciliar os dois pilares da física moderna.
Por: Anil Ananthaswamy
Traduzido e adaptado por: Felipe Sérvulo
Como você conciliaria os dois pilares da física moderna: a teoria quântica e a gravidade? Um ou ambos terão de ceder. Uma nova abordagem diz que a gravidade poderia emergir de flutuações aleatórias no nível quântico, tornando a mecânica quântica a mais fundamental das duas teorias.
Das duas principais explicações da realidade, a teoria quântica rege as interações entre os mais pequenos pedaços de matéria. E a relatividade geral lida com a gravidade e as maiores estruturas no Universo. Desde Einstein, os físicos têm tentado fazer a ponte entre as duas, com pouco sucesso.
Parte do problema é saber qual fios de cada teoria são fundamentais para a nossa compreensão da realidade.
Uma abordagem para reconciliar a gravidade com a mecânica quântica é mostrar que a gravidade, em sua forma mais fundamental, vem em parcelas indivisíveis denominadas quanta, muito parecido os quanta que geram a força eletromagnética, chamados fótons. Mas este caminho para uma teoria quântica da gravidade até agora provou-se intransponível.
Agora, Antoine Tilloy do Instituto Max Planck de Óptica Quântica em Garching, Alemanha, tentou abordar a gravidade através de ajustes na mecânica quântica padrão.
Na teoria quântica, o estado de uma partícula é descrita por sua função de onda. A função de onda permite calcular, por exemplo, a probabilidade de encontrar a partícula em um lugar aleatório no espaço durante a medição. Antes da medição, não está claro se a partícula existe, ou onde ela se situa, caso ela exista. A realidade, ao que parece, é criada pelo ato de medição, que “colapsa” a função de onda.
Mas a mecânica quântica realmente não define o que uma medição é. Por exemplo, ele precisa de um ser humano consciente? O problema da medição leva a paradoxos como o gato de Schrödinger, em que um gato pode estar simultaneamente vivo e morto dentro de uma caixa, até que alguém abra e observa o interir da caixa.
Uma solução para tais paradoxos é um chamada modelo GRW que foi desenvolvido no final de 1980. Incorpora “flashes”, que são colapsos aleatórios espontâneos da função de onda de sistemas quânticos. O resultado é exatamente como se não houvesse as medições sendo feitas, mas sem observadores explícitos.
Tilloy modificou este modelo para mostrar como ele pode levar a uma teoria da gravidade. No seu modelo, um flash recolhe uma função de onda e faz com que uma partícula que esteja em um lugar crie um campo gravitacional, naquele instante no espaço-tempo. Um sistema quântico enorme, com um grande número de partículas, está sujeito a inúmeros flashes, e o resultado é um campo gravitacional flutuante.
“Um colapso espontâneo em um sistema quântico cria um campo gravitacional naquele instante no espaço-tempo”
Acontece que a média destas flutuações é um campo gravitacional que se espera de teoria da gravidade de Newton (arxiv.org/abs/1709.03809). Esta abordagem, que unifica a gravidade com a mecânica quântica, é chamada de semiclássica: a gravidade surge de processos quânticos, mas continua sendo uma força clássica. “Não não há nenhuma razão real para ignorar esta abordagem semiclássica, tendo a gravidade sendo clássica no nível fundamental”, diz Tilloy.
“Eu gosto dessa ideia, em princípio”, disse Klaus Hornberger na Universidade de Duisburg-Essen, na Alemanha. Mas ele ressalta que outros problemas devem ser enfrentados antes que esta abordagem possa ser um sério candidato para unificar todas as forças fundamentais que sustentam as leis da física em escalas grandes e pequenas. Por exemplo, o modelo de Tilloy pode ser usado para obter a gravidade como descrita pela teoria de Newton, mas a matemática ainda tem de ser trabalhada para ver se ela é eficaz em descrever a gravidade como regida pela teoria da relatividade geral de Einstein.
Tilloy concorda. “É muito difícil generalizar isto para as configurações relativistas”, diz ele. Ele também adverte que ninguém sabe qual dos muitos ajustes para a mecânica quântica é o correto.
No entanto, seu modelo faz previsões que podem ser testadas. Por exemplo, ele prevê que a gravidade vai se comportar de forma diferente na escala atômica da mesma forma que que ela faz em escalas maiores. Caso esses testes comprovem o modelo de Tilloy, e que de fato, a gravidade e a realidade se originam do colapso de flutuações quânticas, seria um grande indício de que o caminho para uma teoria de tudo que envolveria a gravidade semiclássica.
Via: NewScientist
Via: NewScientist
A vida, o universo e tudo mais.
Um objetivo central que os físicos modernos compartilham é encontrar uma única teoria que pode explicar o Universo inteiro e unir as forças da natureza.
O modelo padrão, por exemplo, deixa a matéria escura, a energia escura, e até mesmo a gravidade fora da imagem - o que significa que ele realmente representa apenas uma percentagem muito pequena do que compõe o Universo.
A teoria das cordas costura a concepção da teoria geral da relatividade de Einstein, juntamente com a mecânica quântica e o resultado é a teoria quântica aplicada à gravidade.
Esta aplicação permite-nos quebrar o universo além do nível de partículas subatômicas em cordas vibrantes cujas interações e vibrações compõem o universo.
Em outras palavras, toda a matéria é composta de átomos, e todos os átomos são compostos de elétrons, nêutrons e prótons - e estes podem ser ainda desagregados em quarks.
Quarks são são constituídos por estas cordas dinâmicas, cujos movimentos no espaço são a chave para entender o Universo, explicou Michio Kaku, um físico do City College de Nova York.
Kaku é o co-fundador da teoria do campo de cadeia (um ramo da teoria das cordas). Ele explica abaixo do que a teoria das cordas é, e como ele funciona (ative as legendas).
Boas vibrações
Em uma entrevista ao Big Think, Kaku explica a teoria das cordas desta forma: o modelo padrão da física, incluindo o bóson de Higgs, representa a oitava mais baixa de uma corda vibrante.
A matéria escura, que compõe cerca de 23 por cento do Universo, é a próxima acima da vibração.
A energia escura acontece quando as simetrias da cadeia estão quebradas, e compreende cerca de 68 por cento do Universo.
Assim, de acordo com a teoria das cordas, cada corda em vibração corresponde a uma partícula diferente, e há quase certamente mais dimensões para o universo do que as quatro que nós pensamos que ele seja representado.
A teoria das cordas é a única neste momento porque, como Kaku apontou, é um dos únicos que realmente tem o potencial de ser uma Teoria de Tudo.
- Quantas dimensões existem? Explicando a Teoria das Cordas
- Em busca de Teoria de Tudo - O que é Gravitação Quântica?
Traduzido e adaptado de Science Alert
A Relatividade Geral e a mecânica quântica, juntas, fazem um excelente trabalho para descrever a física do Universo fora de um buraco negro, bem como de uma nuvem de gás que está sendo dilacerada fora do horizonte de eventos. Mas para entender a física perto de uma singularidade, uma teoria sucessora, como a gravidade quântica, é necessária. Crédito da imagem: ESO / MPE / Marc Schartmann.
Normalmente, o Universo é governado por dois conjuntos de regras: mecânica quântica, para partículas e suas interações eletromagnéticas e nucleares, e Relatividade Geral, para massas, a gravidade e a curvatura do espaço-tempo. A mecânica quântica nos diz que todas as propriedades e partículas (que se comportam como ondas) exibem algum nível de incerteza intrínseca entre a posição/momento e energia/tempo. Em particular, cada partícula massiva tem um comprimento de onda associado a ela: um comprimento de onda de Compton, o que explica a dispersão nas colisões. Se você tivesse que calcular comprimento de onda de um fóton e convertê-lo em massa, através da equação de Einstein E = mc², você terá o comprimento de onda Compton de uma partícula massiva.
Quanto maior for a massa de um buraco negro, maior a área do seu horizonte de eventos é. O quasar ilustrado aqui tem um buraco negro de 2 bilhões de massas solares. Poderia um buraco negro 4D de ~ 10 ^ 25 massas solares ter sido a fonte do nosso Universo? Crédito da imagem: ESO / M. Kornmesser.
Da mesma forma, você pode tomar a massa de um buraco negro e calcular quão grande seu horizonte de eventos é: a região onde o espaço é tão curvo que nada, nem mesmo a luz, pode escapar. Se você tivesse que tomar uma partícula fundamental e permitir que ela tenha mais e mais massa, você muito rapidamente chegaria a um ponto em que o raio de Schwarzschild da partícula - uma medida do seu horizonte de eventos - for maior do que o comprimento de onda Compton: cerca de 21 µg, ou microgramas. O fato de que os buracos negros em nosso universo são muito mais maciços do que isso não é um problema. Significa simplesmente que as leis da física que conhecemos quebram-se na singularidade que calculamos no centro. Se alguém quiser descrevê-los com precisão, ele vai ter que unificar a teoria quântica com a relatividade geral. Vai gerar então uma teoria quântica da gravidade.
A singularidade é onde a física convencional se quebra, se você está falando sobre o início do universo e do nascimento de espaço e tempo ou o ponto central de um buraco negro. Crédito da imagem: © 2007-2016, do Instituto Max Planck de Física Gravitacional, Potsdam.
Tal como está, no entanto, podemos calcular o que acontece com o espaço-tempo dentro do horizonte de eventos por todo o caminho até (mas não incluindo) a singularidade central. Surpreendentemente, com apenas uma transformação de coordenadas, o espaço dentro de um buraco negro pode ser mapeado, um-a-um, com o espaço do lado de fora de um buraco negro.
http://www.forbes.com/sites/startswithabang/2016/10/20/could-our-universe-have-arisen-from-a-black-hole/#66bb6e6674e0
Ao mapear a distância de coordenada fora do horizonte de eventos, R, com uma inversa de coordenadas dentro do horizonte de eventos, r = 1/R, você encontra um mapeamento exclusivo 1/1 do espaço. Crédito da imagem: Wikimedia Commons usuário Kes47 sob uma licença CCA-sa-3.0.
Mas também podemos calcular o que acontece exatamente sobre o limite do horizonte de eventos, o que é interessante para explicar a razão por que qualquer observador de fora do buraco negro pode ver todas as informações a partir das partículas que caem no buraco negro codificado no horizonte. Para buracos negros do nosso universo, que se formam em três dimensões espaciais, esta superfície bidimensional codifica o conjunto completo de informações sobre o que caiu. De nossa perspectiva, a singularidade não é "nua", o que significa que estamos impedidos de visualizá-la pela presença do horizonte de eventos. O horizonte de eventos age como uma embalagem protetora, opaca, em torno do buraco negro.
A implosão de um estrela maciça o suficiente para colapsar resulta na formação de um horizonte de eventos que cresce rapidamente no início, seguido de um crescimento mais lento e firme, a medida que a matéria dentro cai e o tempo passa. Crédito da imagem: Wikimedia Commons usuário Cmglee, sob uma licença CCA-sa-4.0.
Como o buraco negro formado em primeiro lugar, a partir da implosão do núcleo de uma estrela em colapso, o horizonte de eventos surge primeiro, em seguida, expande-se rapidamente e continua a crescer na área que mais e mais matéria continua a cair. Se você fosse colocar uma grade de coordenadas neste embrulho bidimensional, você iria achar que ele se originou onde as linhas de grade estavam muito próximos entre si e, em seguida, expandiu-se rapidamente a medida que o buraco negro se formou, e em seguida, expandiu mais e mais lentamente com a matéria caindo em uma taxa muito mais baixa. Isto corresponde, pelo menos conceitualmente, o que observamos para a taxa de expansão do nosso universo tridimensional.
Um gráfico da taxa aparente de expansão (eixo y) versus a distância (eixo dos x) é consistente com um universo que expandiu mais rapidamente no passado, mas ainda está em expansão hoje. Crédito da imagem: Ned Wright, com base nos dados mais recentes do Betoule et al. (2014), através http://www.astro.ucla.edu/~wright/sne_cosmology.html.
Assim, poderia o nosso Universo não ter se originado a partir de uma verdadeira singularidade, mas sim através de uma embalagem tridimensional de um colapso, crescendo em um buraco negro 4-dimensional? O Perimeter Institute e os pesquisadores da Universidade de Waterloo Niayesh Afshordi, Razieh Pourhasan e Robert Mann propuseram esta ideia por volta de 2014 , e apesar de seus melhores esforços, os cientistas têm sido incapazes de descartar este cenário. Enquanto dimensões superiores podem estar bem fora da nossa experiência, elas poderiam muito bem ser responsáveis por nossas origens cósmicas.
Um disco de acreção, campos magnéticos e jatos de material estão todos fora horizonte de eventos do buraco negro. Mas tudo o que cai na tem sua informação permanentemente impressa na superfície 2D do horizonte de eventos. Crédito da imagem: M. Weiss / CfA.
Poderia nosso Universo ser a realização análoga de um buraco negro de quatro dimensões com um horizonte de eventos tridimensional? É uma possibilidade que é demasiado grande para nós não considerarmos e maravilharmos com isso. E apenas talvez, ela traz a possibilidade de que, se cairmos em um buraco negro, de alguma forma, nós viveremos por eras em um universo inteiramente novo.
[Forbes]
A teoria das cordas, até agora, não conseguiu fazer jus à sua promessa como uma forma de unir a gravidade e a mecânica quântica. Ao mesmo tempo, ele floresceu em um dos conjuntos mais úteis de ferramentas da ciência
Teoria das cordas entrou em cena cerca de 30 anos atrás, uma promessa de simplicidade elegante que iria resolver problemas complicados em física fundamental - incluindo a incompatibilidade notoriamente intratável entre o espaço-tempo deformado de Einstein e os inerentemente nervosos pedaços quantificados de material que fez tudo no Universo.
Parecia, parafraseando Michael Faraday, demasiado maravilhoso não para ser verdade: Basta substituir infinitamente pequenas partículas por pequenas (mas finitas) alças de corda que vibram. As vibrações iriam criar quarks, elétrons e fótons glúons, assim como as suas famílias alargadas, produzindo em harmonia todos os ingredientes necessários para preparar o mundo cognoscível. Evitando o infinitamente pequeno significava evitar uma variedade de catástrofes. Por um lado, a incerteza quântica não poderia rasgar o espaço-tempo em pedaços. Por fim, ao que parece, era uma teoria funcional da gravidade quântica.
Ainda mais bonito do que a história contada em palavras era a elegância da matemática por trás disso, que tinha o poder de levar alguns físicos ao êxtase.
Para ter certeza, a teoria veio com implicações perturbadoras. As cordas eram pequenas demais para ser sondadas pela experiência e habitavam em até 11 dimensões do espaço. Estas dimensões foram dobradas sobre si mesmas - ou "compactadas" - em formas de origami complexos. Ninguém sabia exatamente como as dimensões foram compactadas - as possibilidades de fazê-las parecia ser infinita - mas certamente alguma configuração viria a ser apenas o que era necessário para produzir forças e partículas conhecidas.
O amplituhedron é um objecto de multi-dimensional que pode ser usado para calcular as interações de partículas. Os físicos, tais como Chris Beem estão aplicando técnicas da teoria das cordas em geometrias especiais onde "o amplituhedron dá seu melhor de si", diz ele.
Por um tempo, muitos físicos acreditavam que a teoria das cordas renderia uma maneira única de combinar a mecânica quântica e a gravidade. "Havia uma esperança. Um momento", disse David Gross, um leitor de original do chamado Quarteto Princeton String, ganhador do Prêmio Nobel e membro permanente do Instituto Kavli de Física Teórica na Universidade da Califórnia, Santa Barbara. "Nós até pensamos por um tempo em meados dos anos 80 que era uma teoria única."
E, em seguida, os físicos começaram a perceber que o sonho de uma teoria singular era uma ilusão. As complexidades da teoria das cordas, todas as permutações possíveis, recusaram-se a reduzir a a um único modelo que descreveu o nosso mundo. "Depois de um certo ponto no início dos anos 90, as pessoas desistiram de tentar se conectar com o mundo real", disse Gross. "Os últimos 20 anos têm sido realmente uma grande extensão de ferramentas teóricas, mas muito pouco progresso na compreensão do que é realmente lá fora."
Muitos, em retrospectiva, perceberam que tinha levantado uma barra demasiado alta. Saindo do ímpeto de completar o "modelo padrão" sólido e poderoso da física de partículas na década de 1970, eles esperavam que a história se repetiria - só que desta vez em uma escala maior. "Nós temos tentado apontar para os sucessos do passado, onde tivemos uma equação muito simples que capturava tudo", disse Robbert Dijkgraaf, diretor do Instituto de Estudos Avançados de Princeton, New Jersey. "Mas agora temos esta grande confusão."
Eva Silverstein, professora de física na Universidade de Stanford, aplicando a teoria das cordas a problemas na cosmologia. Cortesia do SLAC National Accelerator Laboratory
Eva Silverstein, professora de física na Universidade de Stanford, aplicando a teoria das cordas a problemas na cosmologia. Cortesia do SLAC National Accelerator Laboratory
Assim como uma beleza amadurecendo, a teoria das cordas ficou rica em relacionamentos, complicada, difícil de manusear e amplamente influente. Seus tentáculos atingiram tão profundamente em muitas áreas da física teórica, que tornou-se quase irreconhecível, até mesmo para os teóricos das cordas. "As coisas ficaram quase pós-modernas", disse Dijkgraaf, pintor e físico matemático.
A matemática que saiu da teoria das cordas foi colocada em uso em campos tais como a cosmologia e física da matéria condensada - o estudo de materiais e suas propriedades. É tão onipresente que "mesmo se você desligar todos os grupos da teoria das cordas, as pessoas em matéria condensada, as pessoas na cosmologia e as pessoas na gravidade quântica vão fazê-lo", disse Dijkgraaf.
"É difícil dizer realmente onde você deve desenhar o contorno ao redor e dizer: Esta é a teoria das cordas; esta não é a teoria das cordas", disse Douglas Stanford , um físico do IAS. "Ninguém sabe mais dizer o que é um teórico das cordas", disse Chris Beem, um físico matemático na Universidade de Oxford. "Tornou-se muito confuso."
A teoria das cordas hoje parece quase fractal. Quanto mais estreitamente as pessoas exploram qualquer cantinho, mais a estruturas eles encontram. Alguns escavam profundamente em fendas específicas; outros diminuem o zoom para tentar fazer sentido dos padrões mais grandiosos. O resultado é que a teoria das cordas hoje inclui tantas coisas que já não parece pegajosa. Esses minúsculos laços de corda cujos harmônicos foram pensados para respirar cada partícula e força conhecida da natureza (incluindo a gravidade evasiva), nem sequer aparece mais em quadros-negros em conferências. Na grande reunião anual teoria das cordas do ano passado, o teórico das cordas da Universidade de Stanford, Eva Silverstein, achou graça ao descobrir que ela era um das poucos dando uma palestra "sobre a teoria das cordas propriamente dita", disse ela. Uma grande parte do tempo ela trabalha em questões relacionadas à cosmologia.
Mesmo que as ferramentas matemáticas da teoria das cordas sejam adotados em toda as ciências físicas, os físicos têm lutado com a forma de lidar com a tensão central da teoria das cordas: ela pode viver até sua promessa inicial? Poderia sempre dar aos pesquisadores uma visão sobre como gravidade e a mecânica quântica pode ser conciliada - não em um universo de brinquedo, mas em nosso próprio?
Juan Maldacena, um físico do Instituto de Estudos Avançados, desenvolveu o que se tornou um dos maiores sucessos da teoria das cordas. Andrea Kane
"O problema é que a teoria das cordas existe na paisagem da física teórica ", disse Juan Maldacena, um físico matemático da IAS e talvez a figura mais proeminente no campo hoje. "Mas nós ainda não sabemos ainda como ele se conecta com a natureza como uma teoria da gravidade." Maldacena agora reconhece a amplitude da teoria das cordas, e sua importância para muitos campos da física - mesmo aqueles que não necessitam de "cordas" para ser o material fundamental do universo - quando define a teoria das cordas como "pesquisa teórica sólida em estruturas geométricas naturais."
Uma explosão de campos quânticos
Um ponto alto para a teoria das cordas como uma teoria de tudo veio no final de 1990, quando Maldacena revelou que a teoria das cordas, incluindo a gravidade em cinco dimensões foi equivalente a uma teoria quântica de campos em quatro dimensões. Esta dualidade "AdS/CFT" apareceu para fornecer um mapa para obter uma alça sobre a gravidade - a parte mais intransigente do quebra-cabeça -, relacionando-a com a bem comprendida teoria quântica de campos.
Esta correspondência não foi pensada para ser um modelo do mundo real perfeito. O espaço de cinco dimensões em que se trabalha tem uma geometria "anti de-Sitter", uma estranha paisagem Eschersiana que não é remotamente parecida com o nosso universo.
Mas os pesquisadores ficaram surpresos quando eles cavaram profundamente no outro lado da dualidade. A maioria das pessoas acreditavam que a teoria quântica de campos - " o pão com manteiga da física", como Dijkgraaf a chama - foi bem compreendida e ficou assim durante meio século. Como se viu, disse Dijkgraaf, "nós só a compreendemos de uma forma muito limitada."
Essas teorias quânticas de campo foram desenvolvidas na década de 1950 para unificar a relatividade especial e a mecânica quântica. Elas trabalharam muito bem durante muito tempo. Mas hoje, quando os físicos revisitam "a parte que você pensava que compreendia 60 anos atrás", disse Nima Arkani-Hamed, um físico do IAS, você encontra "estruturas impressionantes" que vieram como uma surpresa completa. "Cada aspecto da ideia de que nós entendemos da teoria quântica de campos acaba por estar errado. É uma fera muito maior."
Pesquisadores desenvolveram um grande número de teorias quânticas de campo na última década, cada uma usada para estudar diferentes sistemas físicos. Beem suspeita que há teorias quânticas de campos que não podem ser descritas mesmo em termos de campos quânticos. "Nós temos opiniões que parecem bem loucas, em grande parte, por causa da teoria das cordas."
Esta explosão de novos tipos de teorias quânticas de campo só lembram da física na década de 1930, quando a aparição inesperada de um novo tipo de partícula - o múon - levou Rabi II a perguntar: "Quem ordenou isso?" A enxurrada de novas partículas foi tão grande na década de 1950 que levou Enrico Fermi a resmungar: "Se eu pudesse lembrar os nomes de todas estas partículas, eu teria sido um botânico."
Os físicos começaram a ver o seu caminho através do emaranhado de novas partículas apenas quando eles encontraram os blocos mais fundamentais de construção, como quarks e glúons. Agora, muitos físicos estão tentando fazer o mesmo com a teoria quântica de campos. Em suas tentativas de dar sentido ao zoo, muitos aprendem tudo o que podem sobre certas espécies exóticas.
As Teorias de Campo Conformal (a sigla à direita da AdS/CFT) são um ponto de partida. Você começa com um tipo simplificado da teoria de campo conformal que se comporta da mesma maneira em pequenas e grandes distâncias, disse David Simmons-Duffin, um físico do IAS. Se estes tipos específicos de teorias de campo pudessem ser perfeitamente compreendidos, respostas a perguntas profundas poderão se tornar claras. "A ideia é que, se você entender os pés do elefante muito, muito bem, você pode interpolar e descobrir com todo o elefante se parece."
Como muitos de seus colegas, Simmons-Duffin diz que ele é um teórico das cordas principalmente no sentido de que ele se tornou um termo genérico para qualquer um que faz física fundamental em lugares subdesenvolvidos. Ele está atualmente concentrando-se em um sistema físico que é descrito por uma teoria de campo conformal, mas não tem nada a ver com cordas. De fato, o sistema é a água no seu "ponto crítico", onde a distinção entre gás e líquido desaparece. É interessante porque o comportamento da água no ponto crítico é um sistema emergente complicado que surge de algo mais simples. Como tal, poderia sugerir uma dinâmica por trás do surgimento de teorias quânticas de campo.
Beem concentra-se em teorias de campo supersimétricas, outro modelo de brinquedo, como os físicos chamam essas simplificações deliberadas. "Estamos focados em algumas características irrealistas para torná-las mais fáceis de lidar", disse ele.
Modelos de brinquedos são ferramentas padrão na maioria dos tipos de pesquisa. Mas há sempre o medo de que o que se aprende a partir de um cenário simplificado não se aplica ao mundo real. "É como um pacto com o diabo", disse Beem. "A teoria das cordas é um conjunto muito menos rigorosamente construído de idéias do que teoria quântica de campos, então você tem que estar disposto a relaxar seus padrões um pouco", disse ele. "Mas você é recompensado por isso. "Isso lhe dá um bom e maior contexto no qual você irá trabalhar"
É o tipo de trabalho que faz com que pessoas como Sean Carroll, um físico teórico do Instituto de Tecnologia da Califórnia, saberem se o campo tem se desviado muito longe de suas primeiras ambições - para encontrar, se não uma "teoria de tudo", pelo menos uma teoria da gravidade quântica. "Eles têm todos esses martelos e eles vão à procura de pregos." Isso é bom, ele disse, mesmo reconhecendo que as gerações podem ser necessárias para desenvolver uma nova teoria da gravidade quântica. "Mas não isso não é bom se você esquecer que, em última instância, seu objetivo é descrever o mundo real."
É uma pergunta que ele fez aos seus amigos. Por que eles estão investigando as teorias quânticas de campos detalhadamente? "O que é essa aspiração?", Ele pergunta. Suas respostas são lógicas, diz ele, mas passos removidos do desenvolvimento de uma verdadeira descrição do nosso universo.
Em vez disso, ele está procurando uma maneira de "encontrar a gravidade dentro de mecânica quântica." Um artigo que ele escreveu recentemente com colegas pretende tomar medidas exatamente sobre isso. Não envolve a teoria das cordas.
O amplo poder da teoria das cordas
Talvez o campo que ganhou a maioria do florescimento da teoria das cordas é própria matemática. Sentado em um banco ao lado do lago do IAS enquanto assistia a um passeio da garça azul nos juncos, Clay Córdova, um pesquisador de lá, explicou que certos problemas insolúveis em matemática foram resolvidos através da analogia das cordas. Por exemplo, quantas esferas poderiam caber dentro de um colector de Calabi-Yau - a forma dobrada complexa esperada para descrever a forma como o espaço-tempo é compactado? Os matemáticos ficaram na parede. Mas uma corda de duas dimensões pode se mover em torno de um espaço tão complexo. Com essa maleabilidade das cordas, pôde-se gerar novos conhecimentos, como um laço multidimensional matemático. Este foi o tipo de pensamento físico no qual Einstein ficou famoso: experiências de pensamento sobre cavalgar junto com um feixe de luz revelou o E = mc². A imaginação de uma queda de um prédio levou ao seu maior momento eureka de todos: A gravidade não é uma força; é uma propriedade do espaço-tempo.
Usando a intuição física oferecida pelas cordas, os físicos produziram uma poderosa fórmula para obter a resposta para a pergunta da esfera incorporada, e muito mais. "Eles têm utilizado, nessas fórmulas, ferramentas que os matemáticos não permitem", disse Córdova. Com isso, após os teóricos das cordas encontrarem uma resposta, os matemáticos provaram-la em seus próprios termos. "Este é um tipo de experiência", explicou. "É um experimento matemático interno." A solução fibrosa não só era correta, ela levou a Campos matemáticos ganhadores de medalha. "Isso continua acontecendo", disse ele.
A teoria das cordas também fez contribuições essenciais para a cosmologia. O papel que a teoria das cordas tem desempenhado na reflexão sobre mecanismos por trás da expansão inflacionária do universo - os momentos imediatamente após o Big Bang, onde os efeitos quânticos se reuniram com gravidade - é "surpreendentemente forte", disse Silverstein, embora sem cordas estejam ligadas.
Ainda assim, Silverstein e seus colegas usaram a teoria das cordas para descobrir, entre outras coisas, maneiras de ver as assinaturas potencialmente observáveis de várias ideias inflacionárias. As mesmas idéias poderiam ter sido encontradas usando a teoria quântica de campos, disse ela, mas eles não estavam. "É muito mais natural na teoria das cordas, com sua estrutura extra."
Modelos inflacionários se emaranham na teoria das cordas de várias maneiras, não menos do que é o multiverso - a ideia de que o nosso universo é um de uma série possíveis infinito de universos, cada um criado pelo mesmo mecanismo que gerou o nosso própria. Entre a teoria das cordas e da cosmologia, a ideia de uma paisagem infinita de universos possíveis não se tornava apenas aceitável, mesmo encarado por um grande número de físicos. O efeito de seleção, Silverstein disse, seria uma explicação muito natural parao porquê do nosso mundo ser do jeito que é: Em um universo muito diferente, não estaríamos aqui para contar a história.
Este efeito pode ser uma resposta a um grande problema que uma teoria das cordas supostamente resolveria. Como Gross colocou: "O que escolhe esta teoria em particular" - o modelo padrão - a partir da "infinidade de possibilidades infinitas?"
Silverstein acha que o efeito de seleção é realmente um bom argumento para a teoria das cordas. A paisagem infinita de universos possíveis pode estar diretamente ligada a "estrutura rica que encontramos na teoria das cordas", disse ela - as inúmeras maneiras que o espaço-tempo multidimensional da teoria das cordas pode ser dobrado sobre si mesmo.
Construindo o Novo Atlas
No mínimo, a versão madura da teoria das cordas - com suas ferramentas matemáticas que permitem que os investigadores vejam os problemas de novas maneiras - tem proporcionado novos e poderosos métodos para ver como descrições aparentemente incompatíveis da natureza podem ambas estarem corretas. A descoberta de descrições duplas do mesmo fenômeno resume muito bem a história da física. Um século e meio atrás, James Clerk Maxwell viu que a eletricidade e o magnetismo eram dois lados da mesma moeda. A teoria quântica revelou a conexão entre partículas e ondas. Agora os físicos têm as cordas.
Em cosmologia, a teoria das cordas são "pacotes de modelos físicos que tornam as coisas fáceis de se pensar", disse Silverstein. Pode demorar séculos para unir todos esses fios soltos para tecer um quadro coerente, mas jovens pesquisadores como Beem não estão incomodados. Sua geração nunca pensou que a teoria das cordas estava no caminho de resolver tudo. "Nós não estamos presos", disse ele. "Não sinto que estamos à beira de conseguir resolver tudo, mas sei que cada dia que passa eu sei que dei um passo adiante em relação ao dia anterior. E então, presumivelmente, nós estamos chegando a algum lugar"
Stanford pensa nisso como um grande jogo de palavras cruzadas. "Não está terminado, mas como você começar a resolver, você pode dizer que é um quebra-cabeça válido", disse ele. "Isso está passando por verificações de consistência o tempo todo"
Nima Arkani-Hamed, um físico do IAS, argumenta que este é o momento mais emocionante para a física teórica desde o desenvolvimento da mecânica quântica na década de 1920.
"Talvez não seja ainda possível captar o universo de uma forma facilmente definida, auto-suficiente, como um globo", disse Dijkgraaf, sentando-se em uma das janelas do mesmo escritório onde trabalhou Robert Oppenheimer, na época que ele era chefe de Einstein, olhando por cima do vasto gramado na IAS, da lagoa e das madeiras na distância. Einstein, também, tentou e não conseguiu encontrar uma teoria de tudo, e isso não diminui em nada o seu gênio.
"Talvez a verdadeira imagem seja mais parecida com os mapas em um atlas, cada um oferecendo diferentes tipos de informação, cada irregular", disse Dijkgraaf. "Usar o atlas vai exigir que a física seja fluente em muitas línguas, muitas abordagens, tudo ao mesmo tempo. Seu trabalho vai vir de várias direções diferentes, talvez as até mais distantes. "
Ele acha "totalmente desorientador" e também "fantástico".
Arkani-Hamed acredita que estamos na mais excitante época da física desde que a mecânica quântica surgiu na década de 1920. Mas nada vai acontecer rapidamente. "Se você está animado sobre a responsabilidade de atacar as muitas questões da física, então você deve estar mesmo animado", disse ele. "Mas se você quiser um bilhete para Estocolmo nos próximos 15 anos, então provavelmente não."
Traduzido e adaptado de Quanta Magazine
Como muitos de seus colegas, Simmons-Duffin diz que ele é um teórico das cordas principalmente no sentido de que ele se tornou um termo genérico para qualquer um que faz física fundamental em lugares subdesenvolvidos. Ele está atualmente concentrando-se em um sistema físico que é descrito por uma teoria de campo conformal, mas não tem nada a ver com cordas. De fato, o sistema é a água no seu "ponto crítico", onde a distinção entre gás e líquido desaparece. É interessante porque o comportamento da água no ponto crítico é um sistema emergente complicado que surge de algo mais simples. Como tal, poderia sugerir uma dinâmica por trás do surgimento de teorias quânticas de campo.
Beem concentra-se em teorias de campo supersimétricas, outro modelo de brinquedo, como os físicos chamam essas simplificações deliberadas. "Estamos focados em algumas características irrealistas para torná-las mais fáceis de lidar", disse ele.
Modelos de brinquedos são ferramentas padrão na maioria dos tipos de pesquisa. Mas há sempre o medo de que o que se aprende a partir de um cenário simplificado não se aplica ao mundo real. "É como um pacto com o diabo", disse Beem. "A teoria das cordas é um conjunto muito menos rigorosamente construído de idéias do que teoria quântica de campos, então você tem que estar disposto a relaxar seus padrões um pouco", disse ele. "Mas você é recompensado por isso. "Isso lhe dá um bom e maior contexto no qual você irá trabalhar"
É o tipo de trabalho que faz com que pessoas como Sean Carroll, um físico teórico do Instituto de Tecnologia da Califórnia, saberem se o campo tem se desviado muito longe de suas primeiras ambições - para encontrar, se não uma "teoria de tudo", pelo menos uma teoria da gravidade quântica. "Eles têm todos esses martelos e eles vão à procura de pregos." Isso é bom, ele disse, mesmo reconhecendo que as gerações podem ser necessárias para desenvolver uma nova teoria da gravidade quântica. "Mas não isso não é bom se você esquecer que, em última instância, seu objetivo é descrever o mundo real."
É uma pergunta que ele fez aos seus amigos. Por que eles estão investigando as teorias quânticas de campos detalhadamente? "O que é essa aspiração?", Ele pergunta. Suas respostas são lógicas, diz ele, mas passos removidos do desenvolvimento de uma verdadeira descrição do nosso universo.
Em vez disso, ele está procurando uma maneira de "encontrar a gravidade dentro de mecânica quântica." Um artigo que ele escreveu recentemente com colegas pretende tomar medidas exatamente sobre isso. Não envolve a teoria das cordas.
O amplo poder da teoria das cordas
Talvez o campo que ganhou a maioria do florescimento da teoria das cordas é própria matemática. Sentado em um banco ao lado do lago do IAS enquanto assistia a um passeio da garça azul nos juncos, Clay Córdova, um pesquisador de lá, explicou que certos problemas insolúveis em matemática foram resolvidos através da analogia das cordas. Por exemplo, quantas esferas poderiam caber dentro de um colector de Calabi-Yau - a forma dobrada complexa esperada para descrever a forma como o espaço-tempo é compactado? Os matemáticos ficaram na parede. Mas uma corda de duas dimensões pode se mover em torno de um espaço tão complexo. Com essa maleabilidade das cordas, pôde-se gerar novos conhecimentos, como um laço multidimensional matemático. Este foi o tipo de pensamento físico no qual Einstein ficou famoso: experiências de pensamento sobre cavalgar junto com um feixe de luz revelou o E = mc². A imaginação de uma queda de um prédio levou ao seu maior momento eureka de todos: A gravidade não é uma força; é uma propriedade do espaço-tempo.
Usando a intuição física oferecida pelas cordas, os físicos produziram uma poderosa fórmula para obter a resposta para a pergunta da esfera incorporada, e muito mais. "Eles têm utilizado, nessas fórmulas, ferramentas que os matemáticos não permitem", disse Córdova. Com isso, após os teóricos das cordas encontrarem uma resposta, os matemáticos provaram-la em seus próprios termos. "Este é um tipo de experiência", explicou. "É um experimento matemático interno." A solução fibrosa não só era correta, ela levou a Campos matemáticos ganhadores de medalha. "Isso continua acontecendo", disse ele.
A teoria das cordas também fez contribuições essenciais para a cosmologia. O papel que a teoria das cordas tem desempenhado na reflexão sobre mecanismos por trás da expansão inflacionária do universo - os momentos imediatamente após o Big Bang, onde os efeitos quânticos se reuniram com gravidade - é "surpreendentemente forte", disse Silverstein, embora sem cordas estejam ligadas.
Ainda assim, Silverstein e seus colegas usaram a teoria das cordas para descobrir, entre outras coisas, maneiras de ver as assinaturas potencialmente observáveis de várias ideias inflacionárias. As mesmas idéias poderiam ter sido encontradas usando a teoria quântica de campos, disse ela, mas eles não estavam. "É muito mais natural na teoria das cordas, com sua estrutura extra."
Modelos inflacionários se emaranham na teoria das cordas de várias maneiras, não menos do que é o multiverso - a ideia de que o nosso universo é um de uma série possíveis infinito de universos, cada um criado pelo mesmo mecanismo que gerou o nosso própria. Entre a teoria das cordas e da cosmologia, a ideia de uma paisagem infinita de universos possíveis não se tornava apenas aceitável, mesmo encarado por um grande número de físicos. O efeito de seleção, Silverstein disse, seria uma explicação muito natural parao porquê do nosso mundo ser do jeito que é: Em um universo muito diferente, não estaríamos aqui para contar a história.
Este efeito pode ser uma resposta a um grande problema que uma teoria das cordas supostamente resolveria. Como Gross colocou: "O que escolhe esta teoria em particular" - o modelo padrão - a partir da "infinidade de possibilidades infinitas?"
Silverstein acha que o efeito de seleção é realmente um bom argumento para a teoria das cordas. A paisagem infinita de universos possíveis pode estar diretamente ligada a "estrutura rica que encontramos na teoria das cordas", disse ela - as inúmeras maneiras que o espaço-tempo multidimensional da teoria das cordas pode ser dobrado sobre si mesmo.
Construindo o Novo Atlas
No mínimo, a versão madura da teoria das cordas - com suas ferramentas matemáticas que permitem que os investigadores vejam os problemas de novas maneiras - tem proporcionado novos e poderosos métodos para ver como descrições aparentemente incompatíveis da natureza podem ambas estarem corretas. A descoberta de descrições duplas do mesmo fenômeno resume muito bem a história da física. Um século e meio atrás, James Clerk Maxwell viu que a eletricidade e o magnetismo eram dois lados da mesma moeda. A teoria quântica revelou a conexão entre partículas e ondas. Agora os físicos têm as cordas.
Em cosmologia, a teoria das cordas são "pacotes de modelos físicos que tornam as coisas fáceis de se pensar", disse Silverstein. Pode demorar séculos para unir todos esses fios soltos para tecer um quadro coerente, mas jovens pesquisadores como Beem não estão incomodados. Sua geração nunca pensou que a teoria das cordas estava no caminho de resolver tudo. "Nós não estamos presos", disse ele. "Não sinto que estamos à beira de conseguir resolver tudo, mas sei que cada dia que passa eu sei que dei um passo adiante em relação ao dia anterior. E então, presumivelmente, nós estamos chegando a algum lugar"
Stanford pensa nisso como um grande jogo de palavras cruzadas. "Não está terminado, mas como você começar a resolver, você pode dizer que é um quebra-cabeça válido", disse ele. "Isso está passando por verificações de consistência o tempo todo"
Nima Arkani-Hamed, um físico do IAS, argumenta que este é o momento mais emocionante para a física teórica desde o desenvolvimento da mecânica quântica na década de 1920.
"Talvez não seja ainda possível captar o universo de uma forma facilmente definida, auto-suficiente, como um globo", disse Dijkgraaf, sentando-se em uma das janelas do mesmo escritório onde trabalhou Robert Oppenheimer, na época que ele era chefe de Einstein, olhando por cima do vasto gramado na IAS, da lagoa e das madeiras na distância. Einstein, também, tentou e não conseguiu encontrar uma teoria de tudo, e isso não diminui em nada o seu gênio.
"Talvez a verdadeira imagem seja mais parecida com os mapas em um atlas, cada um oferecendo diferentes tipos de informação, cada irregular", disse Dijkgraaf. "Usar o atlas vai exigir que a física seja fluente em muitas línguas, muitas abordagens, tudo ao mesmo tempo. Seu trabalho vai vir de várias direções diferentes, talvez as até mais distantes. "
Ele acha "totalmente desorientador" e também "fantástico".
Arkani-Hamed acredita que estamos na mais excitante época da física desde que a mecânica quântica surgiu na década de 1920. Mas nada vai acontecer rapidamente. "Se você está animado sobre a responsabilidade de atacar as muitas questões da física, então você deve estar mesmo animado", disse ele. "Mas se você quiser um bilhete para Estocolmo nos próximos 15 anos, então provavelmente não."
Traduzido e adaptado de Quanta Magazine
ER = EPR resume novas pistas para compreender o entrelaçamento e espaço-tempo
Os buracos de minhoca, túneis através do tecido do espaço-tempo que conectam locais muito distantes, são previstos pela teoria da relatividade geral de Einstein. Alguns físicos pensam que os buracos de minhoca poderiam ligar buracos negros no espaço, possivelmente fornecendo uma pista para os mistérios do entrelaçamento quântico e como fundir a relatividade geral com a mecânica quântica. Créditos; STOCKERNUMBER2/SHUTTERSTOCK
Há uma nova equação flutuando ao redor do mundo da física nos dias de hoje que deixaria Einstein orgulhoso.
É muito fácil de lembrar: ER = EPR.
Você pode suspeitar que, para esta equação funcionar, P deve ser igual a 1. Mas os símbolos desta equação não são números, mas nomes. E, como você já deve ter adivinhado, "E" significa Einstein. R e P são as iniciais - para os colaboradores em dois dos artigos mais intrigantes de Einstein. Combinadas nesta equação, essas letras expressam um possível caminho para reconciliar a relatividade geral de Einstein com a mecânica quântica.
A mecânica quântica e a relatividade geral são teorias espetacularmente bem-sucedidas. Ambas preveem fenômenos bizarros que desafiam concepções tradicionais de realidade. No entanto, quando postas à prova, a natureza sempre está em conformidade com os requisitos de cada teoria. Uma vez que ambas as teorias descrevem a natureza tão bem, é difícil explicar por que elas já resistiram a todos os esforços para fundi-las matematicamente. De alguma forma, e todos acreditam nisso, elas devem se encaixam no final. Mas a natureza até agora tem mantido a fórmula dessa conexão em segredo.
ER = EPR, no entanto, sugere que a chave para a sua ligação pode ser encontrada nos túneis de espaço-tempo conhecidos como buracos negros. Estes túneis, implícitos pela teoria da relatividade geral de Einstein, seriam como atalhos subespaciais que ligam fisicamente locais distantes. Parece que esses túneis podem ser o alter ego da ligação misteriosa entre partículas subatômicas conhecidas como entrelaçamento quântico.
Durante os últimos 90 anos ou mais, os físicos têm prosseguido duas questões principais da mecânica quântica separadamente: um, como interpretar a matemática quântica para dar sentido a sua estranheza (como o emaranhamento), e dois, como casar a mecânica quântica com a gravidade. Acontece que, se ER = EPR estiver certo, ambas as perguntas terão a mesma resposta: esquisitice quântica só pode ser compreendido se você entender a sua ligação à gravidade. Buracos de minhoca pode forjar essa ligação.
Wormholes ou Buracos de Minhoca são tecnicamente conhecidos como pontes Einstein-Rosen (a parte "ER" da equação). Nathan Rosen colaborou com Einstein em um artigo descrevendo-os em 1935. EPR é referido em um outro artigo que Einstein publicou junto com Rosen em 1935, juntamente com Boris Podolsky. Este último articulou os enigmas paradoxais do entrelaçamento quântico sobre a natureza da realidade. Durante décadas ninguém considerou seriamente a possibilidade de que os dois documentos tivessem algo a ver um com o outro. Mas em 2013, os físicos Juan Maldacena e Leonard Susskind propuseram que, em certo sentido, buracos de minhoca e emaranhamento descrever a mesma coisa.
Em um artigo recente, Susskind expôs algumas das implicações desta realização. Entre elas: a compreensão de que o emaranhamento de um buraco de minhoca pode ser a chave para a fusão mecânica quântica e da relatividade geral, que os detalhes da fusão explicaria o mistério do emaranhamento, que o espaço-tempo em si poderia emergir do entrelaçamento quântico, e que as controvérsias sobre como interpretar mecânica quântica poderia ser resolvido no processo.
"ER = EPR nos diz que a rede imensamente complicada de subsistemas emaranhados que compreendem o universo também é uma rede extremamente complicada (e tecnicamente complexa) de pontes de Einstein-Rosen," escreve Susskind. "Para mim, parece óbvio que se ER = EPR for verdade, isso será uma coisa gigantesca e deverá prejudicar as fundações e interpretações da mecânica quântica."
O entrelaçamento representa um dos maiores impedimentos para compreender a física quântica. Isso acontece, por exemplo, quando duas partículas são emitidas a partir de uma fonte comum. A descrição quântica de um tal par de partículas diz-lhe as chances de que uma medição de uma das partículas (digamos, seu spin) dar um resultado específico (por exemplo, anti-horário). Mas uma vez que um membro do par for medido, você imediatamente saberá o que o resultado será quando você faz a mesma medida, por outro, não importa o quão longe a partícula estiver. Einstein recusou-se a esta realização, insistindo que uma medição em um lugar não poderia afetar uma experiência distante (invocando a sua famosa condenação da "ação fantasmagórica à distância"). Mas muitas experiências reais confirmaram o poder de emaranhamento para desafiar a preferência de Einstein. Mesmo que (como Einstein insistiu) nenhuma informação pode ser enviada instantaneamente de uma partícula para outra, uma delas, no entanto, parece "saber" o que aconteceu com o sua parceira emaranhada.
Normalmente, os físicos falam de emaranhamento entre duas partículas. Mas isso é apenas o exemplo mais simples. Susskind salienta que os campos quânticos - o material no qual as partículas são feitas - também pode ser emaranhado. "No vácuo de uma teoria quântica de campos os campos quânticos em regiões disjuntas de espaço estão entrelaçadas", escreve ele. Tem a ver com o bem conhecido (e bizarro) aparecimento de partículas "virtuais" que surgem constantemente dentro e fora da existência no vácuo. Estas partículas aparecem em pares, literalmente, do nada; sua origem comum garante que elas estão entrelaçadas. Em suas breves vidas , elas às vezes colidem com as partículas reais, que, em seguida, tornam-se emaranhadas.
Agora, suponha que Alice e Bob, universalmente reconhecidos como sendo os experimentadores quânticos mais capazes jamais imaginados, começam a recolher estas partículas reais entrelaçadas no vácuo. Alice leva um membro de cada par e Bob converte o outro. Eles voam para longe separadamente para reinos distantes do espaço e, em seguida, cada um deles esmaga suas partículas tão densamente que elas tornam-se um buraco negro. Por causa do entrelaçamento dessas partículas, Alice e Bob agora criaram dois buracos negros emaranhados. Se ER = EPR estiver correto, um buraco de minhoca irá ligar esses buracos negros; o emaranhamento, por conseguinte, pode ser descrito utilizando a geometria dos buracos negros. "Esta é uma afirmação notável cujo impacto ainda será apreciado", escreve Susskind.
Ainda mais notável, ele sugere, é a possibilidade de que duas partículas subatômicas emaranhadas estão, de alguma forma, ligadas por uma espécie de buraco de minhoca quântico. Estes buracos de minhoca são contorções da geometria do espaço-tempo - descritos por equações gravitacionais de Einstein - identifica-los com o entrelaçamento quântico seria forjar uma ligação entre a gravidade e a mecânica quântica.
Em qualquer caso, estes desenvolvimentos certamente enfatizam a importância de emaranhamento para compreender a realidade. Em particular, ER = EPR ilumina os debates controversos sobre como a mecânica quântica deve ser interpretada. A sabedoria padrão da quântica (a interpretação de Copenhage) enfatiza o papel de um observador, que ao fazer uma medição, "colapsa" múltiplas possibilidades quânticas em um resultado definitivo. Mas a interpretação concorrente de Everett (ou interpretação de "muitos mundos") diz que as múltiplas possibilidades ocorrem ao mesmo tempo e qualquer observador só pode experimentar apenas uma ramificação da cadeia consistente de vários eventos possíveis.
No ponto de vista de Everett, o colapso da nuvem de possibilidades (a função de onda) nunca acontece. Interações (isto é, medições) apenas causam uma interação para ocasionar o entrelaçamento. A realidade, então, "torna-se uma complicada rede de envolvimentos" Em princípio, todos os eventos entrelaçados poderia ser invertidos, de modo que nada nunca realmente colapsa - ou pelo menos seria enganoso dizer que o colapso é irreversível. Ainda assim, o modo de exibição padrão do colapso irreversível funciona muito bem na prática. Nunca é viável para desfazer a multiplicidade de interações complexas que ocorrem na vida real. Em outras palavras, Susskind diz, ER = EPR sugere que as duas visões da realidade quântica são "complementares".
Susskind passa a explorar em detalhe técnico como funciona o emaranhamento com múltiplos participantes e descreve as implicações para considerar o entrelaçamento para ser equivalente a um buraco de minhoca. Permanece válido, por exemplo, que buracos de minhocas não podem ser usado para enviar um sinal através do espaço mais rapidamente do que a luz. Alice e Bob não podem, por exemplo, enviar mensagens uns aos outros através do buraco de minhoca que ligam os seus buracos negros. Se eles realmente querem se comunicar, no entanto, eles poderiam saltar em seu buraco negro e se encontrarem no meio do buraco de minhoca. Essa reunião proporcionaria uma forte confirmação para o a ideia ER=EPR, embora Alice e Bob teriam problemas para obter o seu artigo publicado.
Nesse meio tempo, um grande número de artigos estão aparecendo sobre ER = EPR e outros trabalhos relacionados com a gravidade - a geometria do espaço-tempo - para o entrelaçamento quântico. Em um artigo recente, os físicos da Caltech ChunJun Cao, Sean M. Carroll e Spyridon Michalakis tentaram mostrar como o espaço-tempo pode ser "construído" a partir da vasta rede de entrelaçamento quântico no vácuo. "Neste trabalho, medidas foram tomadas para derivar a existência e as propriedades do próprio espaço a partir de uma descrição intrinsecamente quântica usando o emaranhamento", escrevem eles. Eles mostram como as mudanças em "estados quânticos" - as descrições puramente quânticas da realidade - podem estar ligados à mudanças na geometria do espaço-tempo. "Nesse sentido", dizem eles, "a gravidade parece surgir da mecânica quântica de uma forma natural."
Cao, Carroll e Michalakis reconhecem que a sua abordagem permanece contendo pressupostos incompletos que precisam ser verificados mais tarde. "O que temos feito aqui é extremamente preliminar e conjectural," escreve Carroll em um post recente. "Não temos uma completa teoria de tudo, e até mesmo o que temos envolve uma grande quantidade de especulação e cálculos rigorosos não são suficientes."
No entanto, existe um consenso claro entre muitos físicos que um caminho para a mecânica quântica se unificar com a gravidade. Se ele estiver no caminho certo, observa Carroll, parece que não será difícil conseguir unir a gravidade com a mecânica quântica - é algo automático. Susskind acredita que o caminho para a gravitação quântica - através do buraco de minhoca - demonstra que a unificação das duas teorias é mais profunda do que os cientistas suspeitam. A implicação de ER = EPR, diz ele, é que "a mecânica quântica e gravidade estão muito mais estreitamente relacionadas do que nós (ou pelo menos eu) nunca tinha imaginado."
Por Tom Siegfried em Science News
Tradução e adaptação: Felipe Sérvulo
A escala de Planck define o limite mínimo do universo, além do qual as leis da física se quebram.
Na década de 1890, o físico Max Planck propôs um conjunto de unidades para simplificar a expressão das leis da física. Usando apenas cinco constantes na natureza (incluindo a velocidade da luz e a constante gravitacional), você, eu e até mesmo alienígenas de Alfa Centauro podem chegar a estas mesmas unidades de Planck.
As unidades de Planck básicas são comprimento, massa, temperatura, tempo e carga.
Vamos considerar a unidade de comprimento de Planck, por um momento. O próton é aproximadamente 100 milhões trilhões de vezes maior que o comprimento de Planck. Para colocar isto em perspectiva, se nós dimensionarmos o próton até o tamanho do universo observável, o comprimento de Planck seria uma simples viagem de Tóquio para Chicago. O voo de 14 horas pode parecer muito tempo para você, mas para o universo, passaria completamente despercebido.
A escala de Planck foi inventada como um conjunto de unidades universais, por isso foi um choque quando esses limites também acabou por ser os limites para as leis conhecidas da física aplicada. Por exemplo, uma distância menor que o comprimento de Planck não faz sentido — a física se quebra.
Os físicos não sabem o que realmente se passa na escala de Planck, mas eles podem especular. Alguns físicos de partículas preveem todas as quatro forças fundamentais — gravidade, a força fraca, eletromagnetismo e a força forte — finalmente se fundem em uma força unica. As Supercordas e gravidade quântica são também possíveis fenômenos que podem dominar a escala de energia de Planck.
A escala de Planck é o limite universal, além do qual quebram-se as leis da física atualmente conhecidas. Para compreender algo mais do que isso, precisamos de física nova, indecifrável, uma teoria da gravitação quântica ou teoria de tudo.
Traduzido e adaptado de Symmetry Magazine
Perplexos com a gravidade? Não deixe que isso te derrube.
Gravidade: nós quase nunca pensamos sobre ela, pelo menos até que escorreguemos no gelo ou tropeçamos na escada. Para muitos pensadores antigos, a gravidade não era ainda uma força de que era apenas a tendência natural dos objetos afundarem em direção ao centro da Terra, enquanto os planetas estavam sujeitos a outros, independente de leis.
Claro, sabemos agora que a gravidade faz muito mais do que fazer as coisas caírem. Ele governa o movimento dos planetas em torno do Sol, detém galáxias juntas e determina a estrutura do próprio universo. Também reconhecemos que a gravidade é uma das quatro forças fundamentais da natureza, juntamente com o eletromagnetismo, a força fraca e a força forte.
A teoria moderna da relatividade - A Teoria geral da gravidade de Einstein - é uma das teorias mais bem sucedidas que temos. Ao mesmo tempo, nós ainda não sabemos tudo sobre a gravidade, incluindo a forma exata ele se encaixa com as outras forças fundamentais. Mas aqui estão seis fatos de peso que nós sabemos sobre a gravidade.
Ilustração pelo Sandbox Studio, com Ana Kova
1. A gravidade é de longe a força mais fraca que conhecemos.
Gravidade só atrai - não há nenhuma versão negativa da força para empurrar as coisas separadas. E enquanto a gravidade é poderosa o suficiente para manter as galáxias juntas, é tão fraca que você supera-a todos os dias. Ao pegar um livro, por exemplo, você está contrariando a força da gravidade de toda a Terra.
Para efeito de comparação, a força elétrica entre um elétron e um próton dentro de um átomo é aproximadamente um quintilhões (que é um seguido de 30 zeros) vezes mais forte que a atração gravitacional entre eles. Na verdade, a gravidade é tão fraca, que não sabemos exatamente o quão fraco ela é.
Ilustração pelo Sandbox Studio, Chicago com Ana Kova
2. Gravidade e peso não são a mesma coisa.
Astronautas na estação espacial flutuam, e às vezes nós, preguiçosamente, dizemos que eles estão em gravidade zero. Mas isso não é verdade. A força da gravidade sobre um astronauta é de cerca de 90 por cento da força que eles iriam experimentar na Terra. No entanto, os astronautas têm peso, já que o peso é a força que o chão (ou uma cadeira ou uma cama ou qualquer outro) exerce em volta deles na Terra.
Leve uma balança de banheiro em um elevador em um grande hotel de luxo e fique em cima dela enquanto o elevador vai para cima e para baixo. Você vai perceber que seu peso oscila e você sente o elevador acelerando e desacelerando, mesmo assim, a força gravitacional é a mesma. Em órbita, por outro lado, os astronautas movem junto com a estação espacial. Não há nada para empurrá-los contra o lado da nave espacial para fazer peso. Einstein transformou esta ideia, juntamente com sua teoria da relatividade especial, dentro da relatividade geral.
Ilustração pelo Sandbox Studio, Chicago com Ana Kova
3. A gravidade faz com que as ondas que se movem à velocidade da luz.
A relatividade geral prevê ondas gravitacionais. Se você tiver duas estrelas anãs brancas ou buracos negros presos em órbita mútua, eles lentamente se aproximam e criam ondas gravitacionais que carregam energia de distância. Na verdade, a Terra também emite ondas gravitacionais, uma vez que orbita o Sol, mas a perda de energia é muito pequena para se notar.
Nós tivemos evidências indiretas de ondas gravitacionais por 40 anos, mas o Observatório de Ondas Gravitacionais de Interferômetro a Laser (LIGO), apenas confirmou o fenômeno neste ano. Os detectores captaram uma explosão de ondas gravitacionais produzidas pela colisão de dois buracos negros a mais de um bilhão de anos-luz de distância.
Uma consequência da relatividade é que nada pode viajar mais rápido que a velocidade da luz no vácuo. Isso vale para a gravidade, também: Se algo drástico acontecer com o sol, o efeito gravitacional chegaria a nós, ao mesmo tempo que a luz do evento.
Da teoria de Einstein para os murmúrios da gravidade: a história das ondas gravitacionais
Ilustração pelo Sandbox Studio, Chicago com Ana Kova
4. Explicar o comportamento microscópico da gravidade tem jogado pesquisadores em um loop.
As outras três forças fundamentais da natureza são descritas por teorias quânticas na menor das escalas - espeficimente o Modelo Padrão. No entanto, nós ainda não temos uma teoria quântica da gravidade totalmente funcional, embora os pesquisadores estejam tentando.
Uma linha de pesquisa é chamada de Gravitação Quântica em Loop, que utiliza técnicas da física quântica para descrever a estrutura do espaço-tempo. Ele propõe que o espaço-tempo é uma partícula semelhante nas escalas mais ínfimas, da mesma forma que a matéria é feita de partículas. A matéria seria restringida a saltar de um ponto ao outro sobre uma estrutura flexível, do tipo de rede. Isso permite que a gravidade quântica em loop descreva o efeito da gravidade em uma escala muito menor do que o núcleo de um átomo.
Uma abordagem mais famosa é a Teoria das Cordas, onde as partículas - incluindo gravitons - são consideradas vibrações de cordas que são enroladas em dimensões demasiado pequenas para experimentos de alcançar. Nem a gravitação quântica em loop, nem a teoria das cordas, nem qualquer outra teoria é atualmente capaz de fornecer detalhes testáveis sobre o comportamento microscópico da gravidade.
Ilustração pelo Sandbox Studio, Chicago com Ana Kova
5. A gravidade pode ser transportada por partículas sem massa chamadas grávitons.
No modelo padrão, partículas interagem umas com os outras através de outras partículas portadoras de força. Por exemplo, o fóton é portador da força electromagnética. As partículas hipotéticas para a gravidade quântica são grávitons, e nós temos algumas idéias de como eles devem trabalhar em relatividade geral. Como os fótons, grávitons provavelmente não tem massa. Se eles tivessem massa, as experiências já deveriam ter visto alguma coisa, mas eles não descarta uma massa ridiculamente pequena.
Ilustração pelo Sandbox Studio, Chicago com Ana Kova
6. A gravidade quântica aparece no menor comprimento que qualquer coisa pode ser.
A gravidade é muito fraca, mas quanto mais próximos dois objetos são, mais forte ela se torna. Em última análise, atinge a força das outras forças a uma distância muito pequena conhecido como o comprimento de Planck, muitas vezes menor do que o núcleo de um átomo.
É aí que os efeitos da gravidade quântica serão fortes o suficiente para medir, mas são demasiado pequeno para qualquer experimento investigar. Algumas pessoas têm proposto teorias que iriam deixar a gravidade quântica mostrar-se perto da escala milimétrica, mas até agora não vimos esses efeitos. Outros têm olhado para formas criativas a fim de ampliar os efeitos da gravidade quântica, usando vibrações em uma grande barra de metal ou coleções de átomos mantidos a temperaturas ultra frias.
Parece que, desde a menor escala para o maior, a gravidade continua a atrair a atenção dos cientistas. Talvez isso seja algum consolo na próxima vez que você levar um tombo, quando a gravidade agarrar a sua atenção também.
Traduzido e adaptado de Symmetry magazine
Duas principais candidatas para uma "teoria de tudo", consideradas incompatíveis, podem ser dois lados da mesma moeda.
Oito décadas se passaram desde que os físicos perceberam que as teorias da mecânica quântica e da gravidade não se encaixam, e o quebra-cabeça de como combiná-las permanece sem solução. Nas últimas décadas, os pesquisadores têm buscado o problema em dois programas distintos - a teoria das cordas e a gravitação quântica em loop - que são amplamente consideradas incompatíveis por seus praticantes. Mas agora, alguns cientistas argumentam que a união de forças é o caminho a seguir.
Entre as tentativas de unificar as teorias quântica e gravitacional, a teoria das cordas tem atraído a maior atenção. Sua premissa é simples: Tudo é feito de minúsculas cordas. As cordas podem ser fechadas em si mesmas ou terem pontas soltas; elas podem estar submetidas a processos como vibrar, esticar, juntar ou dividir. E, nessas múltiplas aparições, encontram-se as explicações para diversos fenômenos que observamos, tanto de matéria e espaço-tempo incluído.
A gravitação quântica em loop, por outro lado, está preocupada menos com o assunto que habita o espaço-tempo do que com as propriedades quânticas deste. Na gravidade quântica em loop, ou LQG, o espaço-tempo é uma rede. O fundo liso da teoria da gravidade de Einstein é substituído por nós e links para que propriedades quânticas são atribuídos à teoria. Desta forma, o espaço é construído de pedaços discretos. A LQG é, em grande parte, um estudo desses pedaços.
Esta abordagem tem sido pensada incompatível com a teoria das cordas. Na verdade, as diferenças conceituais são óbvias e profundas. Para começar, a LQG estuda bits de espaço-tempo, enquanto que a teoria das cordas investiga o comportamento de objetos dentro do espaço-tempo. Problemas técnicos específicos separam os campos. Dessa forma, a teoria das cordas requer que o espaço-tempo tenha 10 dimensões enquanto o LQG não funciona em dimensões superiores. A teoria das cordas também implica na existência de supersimetria, em que todas as partículas conhecidas têm parceiras ainda não detectadas. A Supersimetria não é uma característica da LQG.
Estas e outras diferenças têm dividido a comunidade física teórica em campos profundamente divergentes. "Conferências têm segregado", disse Jorge Pullin, físico da Universidade Estadual da Louisiana e co-autor de um livro didático da LQG. "As pessoas 'Loopy' vão para conferências 'Loopy'. Pessoas 'Stringy' vão para conferência das cordas. Eles nem sequer vão a conferências de 'física' de qualquer maneira. Eu acho que é lamentável que isso tenha se desenvolvido desta maneira."
Mas, um número de fatores pode aproximar estes campos. Novas descobertas teóricas revelaram potenciais semelhanças entre a LQG e a teoria das cordas. A jovem geração de teóricos das cordas começou a olhar esta teoria fora de métodos e ferramentas úteis para criar uma "teoria de tudo". E um paradoxo bruto envolvendo buracos negros e perda de informações tem dado a todos uma nova dose de modéstia.
Além disso, na ausência de evidência experimental para qualquer teoria das cordas ou LQG, a prova matemática de que as duas estão, de fato, em lados opostos de uma mesma moeda, reforçará o argumento de que os físicos estão progredindo em direção a teoria mais adequada de tudo. Combinar a LQG e a teoria das cordas seria realmente torná-las o único jogo na cidade.
Uma ligação inesperada
Um esforço para resolver alguns dos problemas internos do LQG levou à primeira ligação surpreendente com a teoria das cordas. Os físicos que estudam LQG não têm uma compreensão clara de como diminuir o zoom de sua rede de pedaços do espaço-tempo e chegar a uma descrição de grande escala do mesmo que se encaixe com a teoria geral da relatividade de Einstein - a nossa melhor teoria da gravidade. Mais preocupante ainda, a sua teoria não pode conciliar o caso especial em que a gravidade pode ser negligenciada. É um mal-estar que se abate sobre qualquer abordagem dependente da robustez do espaço-tempo: Na teoria da relatividade especial de Einstein, um objeto aparece contraído dependendo de quão rápido um observador se mova em relação a ele. Esta contração também afeta o tamanho dos pedaços de espaço-tempo, que, depois, são percebidos de forma diferente pelos observadores com velocidades diferentes. A discrepância leva a problemas com o princípio central da teoria de Einstein - que as leis da física devem ser as mesmas, não importa a velocidade do observador.
"É difícil introduzir estruturas discretas sem correr em dificuldades com a relatividade especial", disse Pullin. Em seu breve artigo escrito em 2014, com o colaborador freqüente Rodolfo Gambini, (físico da Universidade da República, em Montevidéu, Uruguai), Pullin argumentou que fazer a LQG compatível com a relatividade especial requer interações que são semelhantes às encontradas na teoria das cordas.
As duas abordagens têm algo em comum e parecia propensa para Pullin, desde a descoberta seminal no final de 1990 por Juan Maldacena, (físico do Instituto de Estudos Avançados de Princeton, NJ Maldacena). Maldacena combinou a uma teoria gravitacional chamada de espaço-tempo anti-de Sitter (AdS) com uma teoria de campo (CFT - o "C" é para "conformado") no limite do espaço-tempo. Ao usar essa identificação AdS / CFT, a teoria gravitacional passa a ser descrita por um melhor entendimento da teoria de campo.
A versão completa da dualidade é uma conjectura, mas tem um caso limite bem entendido em que a teoria das cordas não desempenha nenhum papel. Uma vez que cordas não importam neste caso limite, deve ser partilhado por qualquer teoria da gravidade quântica. Pullin vê isso como um ponto de contato.
Herman Verlinde, (físico teórico da Universidade de Princeton que frequentemente trabalha na teoria das cordas), acha plausível que os métodos de LQG podam ajudar a iluminar o lado da gravidade da dualidade. Em um artigo recente, Verlinde observou AdS / CFT em um modelo simplificado com apenas duas dimensões do espaço e uma de tempo, ou "2 + 1" como dizem os físicos. Constatou então que o espaço de anúncios pode ser descritos por uma rede, como aquelas usadas em LQG, mesmo que a construção atualmente só funcione no 2 + 1, oferecendo uma nova maneira de pensar sobre a gravidade. Verlinde espera generalizar o modelo de dimensões superiores. " A Gravidade quântica em loop foi vista muito restritiva. Minha abordagem é inclusiva." disse ele.
Mas, mesmo tendo métodos LQG combinados com sucesso à teoria das cordas para avançar no espaço anti-de Sitter, a questão permanece: Quão útil é essa combinação? Espaços-tempo Anti-de Sitter têm uma constante cosmológica negativa (um número que descreve a geometria em grande escala do universo); nosso universo tem uma forma positiva. Nós apenas não habitamos a construção matemática que é o espaço AdS.
Verlinde é pragmático. "Uma idéia é que [para uma constante cosmológica positiva] é necessária uma nova teoria", disse ele. "Então, a questão é: quão diferente que a teoria irá se parecer?. AdS é, no momento, a melhor dica para a estrutura que estamos procurando, e então temos que encontrar o toque para obter uma constante cosmológica positiva "Ele acha que é tempo bem gasto". Embora [AdS] não descreva o nosso mundo, nos ensinará lições que nos guiem para onde ir ".
Indo juntas para um Buraco Negro
Tanto Verlinde quanto Pullin apontam uma oportunidade para a teoria das cordas e a gravitação quântica em loop se unirem: o destino misterioso de informação que cai em um buraco negro. Em 2012, quatro pesquisadores, da Universidade da Califórnia, Santa Barbara, destacaram uma contradição interna na teoria predominante. Argumentaram que a exigência de um buraco negro para deixar informações fugirem iria destruir a estrutura delicada do espaço vazio em torno horizonte deste, criando assim uma barreira altamente energética - o "Firewall" do buraco negro. Este firewall, no entanto, é incompatível com o princípio da equivalência que subjaz à relatividade geral, que sustenta que os observadores não pode cruzar o horizonte de eventos. Esta incompatibilidade irritou os teóricos das cordas, por pensarem que entenderiam as informações buraco negro e agora deverão rever suas pranchetas.
Mas este não é um dilema apenas para os teóricos das cordas. "Toda essa discussão sobre os firewalls de buracos negros ocorreu principalmente dentro da comunidade da teoria das cordas, o que eu não entendo", disse Verlinde. "Estas perguntas sobre informação quântica e emaranhamento, e como construir um espaço tempo [matemático] de Hilbert - que é exatamente o que as pessoas na gravidade quântica em loop têm vindo trabalhando há muito tempo."
Enquanto isso, em um desenvolvimento que passou despercebido por grande parte da comunidade das cordas, a barreira já representou dimensões extras e supersimetria e isso se está adequado aos modelos teóricos. Um grupo em torno de Thomas Thiemann (Universidade Friedrich-Alexander em Erlangen, Alemanha), prorrogou a LQG para dimensões maiores e incluiu a supersimetria, (tanto dos quais confuso, mais uma vez o mor juste) foram anteriormente o território da teoria das cordas.
Mais recentemente, Norbert Bodendorfer, (ex-aluno de Thiemann, atualmente na Universidade de Varsóvia), aplicou métodos de quantização em loop da LQG para espaço anti-de Sitter. Ele argumenta que LQG pode ser útil para a dualidade AdS/CFT em situações em que os teóricos das cordas não sabem como executar cálculos gravitacionais. Bodendorfer propõe que o antigo abismo entre a teoria das cordas e LQG está desaparecendo. "Em algumas ocasiões eu tive a impressão de que os teóricos das cordas sabiam muito pouco sobre LQG e não queriam falar sobre isso", disse ele. "Mas [a] as pessoas mais jovens na teoria das cordas têm mentes abertas. Eles estão muito interessados o que está acontecendo na interface. "
"A maior diferença está em como definimos nossas perguntas", disse Verlinde. "É mais sociológica do que científica, infelizmente." Ele não acha que as duas abordagens sejam conflitantes : "Eu sempre vi [a teoria das cordas e gravidade quântica em loop] como partes da mesma descrição. LQG é um método, não é uma teoria. É um método de pensar em mecânica quântica e geometria. É um método que os teóricos das cordas podem usar e estão realmente usando. Essas coisas não são incompatíveis. "
Nem todo mundo está tão convencido. Moshe Rozali, (teórico das cordas da Universidade de British Columbia), permanece cético em relação a LQG: "A razão pela qual eu pessoalmente não trabalho em LQG é a questão com a relatividade especial", disse ele. "Se a sua abordagem não respeitar as simetrias da relatividade especial, desde o início, então você basicamente precisa de um milagre para acontecer em um de seus passos intermediários." Ainda assim, Rozali afirma que algumas das ferramentas matemáticas desenvolvidas na LQG podem ser funcionais. "Eu não acho que há alguma probabilidade de que a teoria das cordas e a LQG vão convergir para um meio-termo", disse ele. "Mas os métodos são o que as pessoas normalmente se preocupam, e estes são semelhantes o suficiente; os métodos matemáticos podem ter alguma sobreposição. "
Nem todos que defendem a LQG esperam que as duas teorias irão se fundir um dia. Carlo Rovelli, (físico da Universidade de Marselha, um dos fundadores da LQG), defende seu campo ascendente. "O mundo das cordas é infinitamente menos arrogante do que há dez anos, especialmente depois da amarga decepção do não-aparecimento de partículas supersimétricas", disse ele. "É possível que as duas teorias possam ser partes de uma solução comum ... mas eu me acho que é improvável. A teoria das cordas parece-me que não conseguiu entregar o que havia prometido nos anos 80, e é uma das muitas "boa-ideia-mas-a-natureza-não-era-assim" que marcam a história da ciência. Eu realmente não entendo como as pessoas podem ainda ter esperança nela. "
Para Pullin, declarar a vitória parece prematuro: "Há pessoas da LQG agora dizendo: 'Nós somos o único jogo na cidade." Eu não concordo com essa forma de argumentar. Eu acho que ambas as teorias são muito incompletas. "
Traduzido e adaptado de Quanta Magazine
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