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Pergunta: O que é Gravitação Quântica em Loop?


Resposta: A Gravitação Quântica em Loop ou laço (LQG por vezes abreviado) é uma teoria que busca expressar a moderna teoria da gravidade (ou seja, a teoria da relatividade geral de Einstein) em um formato quantificado. A abordagem envolve a visualização do espaço-tempo como quebrado em pedaços discretos. Ela é vista por muitos como a alternativa mais bem desenvolvida para a gravidade quântica fora da teoria das cordas.

História da Gravitação Quântica em Loop

O início da gravidade quântica em loop se deu por volta para 1986, quando Abhay Ashtekar desenvolveu uma formulação quântica de equações de campo da relatividade geral de Einstein. Em 1988, os físicos Lee Smolin e Carlo Rovelli estenderam essa linha de trabalho, e, em 1990, mostraram que a gravidade é quantificada sob esta abordagem, que pode ser vista usando redes da rotação de Roger Penrose.

Em suma, a abordagem de rede rotação da gravidade quântica em loop mostra o espaço-tempo como uma série de peças que estão ligadas umas as outras. Isto pode ser visualizado por pontos (ou nós) que representam as peças de espaço-tempo ligadas por linhas - por outras palavras, o espaço-tempo pode ser visto como uma rede de nós quânticos.

A estrutura do espaço-tempo suave explícita na relatividade geral é o que você vê quando você faz um "zoom out" da escala quântica até a escala maior.

Implicações da Gravitação Quântica em Loop

Tal como acontece com todos os físicos teóricos, explorar este reino - bem como a física e a matemática envolvida - a este nível é extremamente complexo. Há muito debate sobre os méritos da gravitação quântica em loop, especialmente em comparação com outras abordagens, tais como a teoria das cordas.

Os entusiastas da gravitação quântica em loop levantam três sucessos desta abordagem:


  1. Ela quantifica a geometria espacial 3-dimensional da relatividade geral;
  2. Ela permite o cálculo de entropia dos buracos negros;
  3. Em vez de uma singularidade infinita no momento do big bang, a teoria prevê um grande salto.
Estes são sucessos no sentido de ser provas rigorosas dentro física matemática, porque foram ainda verificados experimentalmente (e, no caso da predição do grande salto, é provável que nunca seja).

A previsão da entropia do buraco negro era (e é) vista por muitos como o maior sucesso da teoria, porque a gravidade quântica em loop foi acreditada para fornecer uma maneira explícita para descrever os estados quânticos de um buraco negro, e produziu resultados que combinavam com as previsões sobre a entropia dos buracos negros feitas por Stephen Hawking e outros na década de 1970.

Alguns físicos teóricos, tais como Brian Greene em Tecido do Cosmos e Lee Smolin em Três Caminhos para a Gravidade Quântica, expressaram o ponto de vista de que a gravidade quântica em loop e teoria das cordas acabará por mostrar expressões diferentes da mesma estrutura física subjacente. A esperança é que a pesquisa nestas duas áreas acabará por dar insights, permitindo uma teoria fundamental mais abrangente que descreva a teoria quântica de base que permita uma bem sucedida teoria do campo unificado que concilie totalmente a relatividade geral com o modelo padrão da física de partículas.

 Veja também: 

traduzido e adaptado de Physics 
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Por que nosso universo é da maneira que é? 

Em particular, por que nós só experimentamos três dimensões espaciais em nosso universo, quando a teoria de supercordas, por exemplo, afirma que existem dez dimensões - nove dimensões espaciais e uma décima dimensão temporal?

Cientistas japoneses pensam que podem ter uma explicação de como um universo tridimensional emergiu das nove dimensões originais do espaço. Eles descrevem seus novos cálculos de supercomputadores que simulam o nascimento do nosso universo em artigo na Physical Review Letters.

Antes de nos aprofundarmos em detalhes alucinantes, é útil ter um pouco detalhamento e bases teóricas:

A teoria do Big Bang de como o universo nasceu foi embolsada por alguma evidência observacional bastante convincente, incluindo a medição da radiação cósmica de fundo e a abundância relativa de elementos.

Os cosmólogos podem olhar para trás no tempo para dentro de poucos segundos do Big Bang, quando todo o universo era apenas um pequeno ponto - nesse ponto, a física que conhecemos e amamos não funciona. Precisamos de um novo tipo de Teoria, uma que combina a relatividade com a mecânica quântica, para dar sentido a esse momento.

Ao longo do século 20, os físicos cuidadosamente remendaram um razoável e eficiente "modelo padrão" da física. O modelo surgiu sem recorrer a dimensões extras. Fundiu o eletromagnetismo com as forças nucleares forte e fraca (em quase impossíveis altas temperaturas), apesar das diferenças em seus respectivos pontos fortes, ele fornece um quadro teórico puro para a grande e barulhenta "família" de partículas subatômicas.

Mas há um buraco nisso tudo. O modelo padrão não incluía a força gravitacional. É por isso que Jove, o físico no romance de Jeanette Winterson, Gut Symmetries, chama o modelo padrão do "voo na lona" - é "grande, feio, útil, abrange o que você quer e ignora a gravidade". A teoria de supercordas visa ligar esse buraco.

Puxando as cordas

De acordo com os teóricos das cordas, existem as três dimensões espaciais de tamanho normal que experimentamos todos os dias, uma dimensão de tempo, e seis dimensões extras enroladas ​​na escala de Planck como maços de papel. Tão pequena como estas dimensões são as cordas - a unidade mais fundamental na natureza, que vibram na escala de Planck - que são ainda menores.

A forma geométrica dessas dimensões extras ajuda a determinar os padrões ressonantes de vibração das cordas. Esses padrões de vibração, por sua vez, determinam o tipos de partículas elementares que são formados, e geram as forças físicas que observamos em torno de nós, da mesma forma que os campos de vibração de eletricidade e magnetismo dão origem a todo o espectro de luz, cordas vibrantes podem produzir diferentes notas musicais em um violino.

Toda a matéria (e todas as forças) são compostas por estas vibrações - incluindo a gravidade. E uma das formas em que cordas podem vibrar corresponde a uma partícula que medeia a gravidade.

Voila! A Relatividade geral já foi quantificada. E isso significa que a teoria das cordas podem ser usados ​​para explorar o ponto infinitamente pequeno do nascimento do nosso universo (ou a singularidade que se encontra no centro de um buraco negro).

Simetria quebrada

Existe mais uma "ruga" em todo esse negócio de dimensões extras: uma vez que o nosso mundo que experimentamos atualmente tem apenas três. Os físicos elaboraram um cenário hipotético bastante convincente de como isso pode ter acontecido.

Antes do Big Bang, o cosmos era um universo de nove dimensões perfeitamente simétrico (ou dez, se você adicionar a dimensão do tempo) com todas as quatro forças fundamentais unificadas em temperaturas inimaginavelmente altas. Mas esse universo era altamente instável e rachado em dois, o envio de uma imensa onda de choque reverberou através do cosmos embrionário.

O resultado foi dois espaços-tempo distintos: o tridimensional desfraldado que habitamos, e um seis-dimensional que contraiu tão violentamente quanto o nosso expandido, encolhendo em uma pequena bola de Planck. A medida que o nosso universo expandiu e esfriou, as quatro forças dividiram-se uma por uma, começando com a gravidade. Tudo o que vemos ao nosso redor hoje é um mero fragmento do estilhaçado universo de nove dimensões originais.

Os físicos que defendem esse ponto de vista não tem certeza por que isso aconteceu, mas eles suspeitam que pode ser devido à tensão incrível e de alta energia necessária para manter um estado supersimétrico, o que poderia torná-lo inerentemente instável.

Imagine que você esteja tentando arrumar a cama depois que o seu lençol voltou da lavanderia, mas o lençol encolheu ligeiramente na lavagem. Você consegue dar um jeito, puxando-o para caber em torno de todos os quatro cantos da cama, mas o tecido é tão esticado que não vai ficar no lugar.

Há muita pressão sobre o tecido, então um canto inevitavelmente aparecerá solto, fazendo com que o lençol se enrole em um local. Claro, você pode forçar esse canto de volta no lugar, mas, novamente, a tensão irá revelar-se muito e  ele irá soltar em outro canto.

Assim como o lençol, o tecido do espaço-tempo de dez dimensões original foi esticado em um estado supersimétrico. Mas a tensão tornou-se muito grande, e o espaço-tempo rachou-se em dois. Uma parte enrolou-se  em uma pequena bola apertada, enquanto o tremor da ruptura cósmica cataclísmica causou a expansão rápida da outra parte, um período conhecido como a inflação. Isto tornou o nosso universo visível.

Isso é o que mostra uma simulação japonesa: o universo teve nove dimensões espaciais em seu nascimento, mas apenas três delas experimentaram a expansão. É a primeira demonstração prática de como um universo tridimensional emerge a partir do espaço de nove dimensões, proporcionando um forte apoio em favor da validade da teoria.

Qual o mecanismo pelo qual isto aconteceu? Para um universo de dez dimensões, há milhões de maneiras para a quebra da supersimetria. Então, há algo especial sobre as três dimensões espaciais que faz com que essa configuração seja favorecida em nosso próprio universo? As novas simulações podem ajudar a lançar alguma luz sobre como essa quebra de simetria poderia ter se desenrolar do jeito que aconteceu.

Junho Nishimura (KEK), Asato Tsuchiya (Shizuoka University), e Sang-Woo Kim (Universidade de Osaka) abordaram o problema utilizando uma formulação da teoria das cordas conhecida como o modelo de matrix IKKT (nomeado pelos cientistas que a desenvolveram, em 1996, Ishibashi, Kawai, Kitazawa, e Tsuchiya). Ele foi projetado para modelar as interações complexas das cordas.

Por razões técnicas muito complicadas, a conexão entre o modelo de matrix IKKT original e o mundo real era um pouco vago, principalmente porque (a) assume interações fracas, quando na verdade as interações entre cordas são bastante fortes; e (b) a variável de tempo nos cálculos não foi tratada como "real" num sentido matemático. Estas novas simulações assumem interações fortes, e tratam o tempo como uma variável real.

Portanto, a mensagem  é que os teóricos das cordas têm agora uma ferramenta útil para analisar as previsões de teoria das supercordas com simulações de computador, lançando luz sobre esses problemas complicados como inflação, matéria escura, e a aceleração da expansão do universo. E isso também explica por que nosso universo é da forma que é.

Fonte: Discovery
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Será que eles duplicam ou destroem? A mecânica quântica diz: nenhum dos dois (Image: Visuals Unlimited, Inc. / Victor HABBICK / Getty)
É mais um tiro nas guerras dos buracos negros. A borda de um buraco negro poderia ser uma parede de tijolos, contra os quais informações sobre a matéria saltam de volta como uma bola de tênis, disse ganhador do Nobel Gerard 't Hooft
A ideia surgiu quando 't Hooft respondia a um anúncio de Stephen Hawking de uma nova solução para o paradoxo das informações - um problema que tem atormentado os cientistas há 40 anos.
O paradoxo é o seguinte: se qualquer objeto, seja um iPhone ou um elefante, se aventurar em um buraco negro, ele permanecerá lá. Do lado de fora, nós nunca seremos capazes de aprender sobre qualquer uma de suas características, as informações sobre ele desaparecem por trás da cortina preta.
Mas em 1974, Hawking descobriu que um esquisitice quântica em suas bordas provoca buracos negros a vazam radiação na forma de fótons. Esta radiação, apelidada de radiação Hawking, faz buracos negros lentamente perderem massa e evaporarem.
Eventualmente, eles se esvaem completamente da existência, apagando todos os detalhes que viviam no interior. Mas a mecânica quântica diz que a informação não pode ser criada nem destruída, por isso, a informação tem de ir para algum lugar.  Mas onde?

Paquiderme condenada
"A resposta é que a matéria  que vai para o buraco tem um efeito de saída sobre partículas Hawking", diz 't Hooft. "Hawking não acredita a princípio, mas aos poucos ele está revendo essa opinião."
A Nova reivindicação de Hawking é que se, digamos, um elefante passa sobre a borda de um buraco negro, as informações do elefante permanecem na borda como uma marca holográfica.

  Quando o radiação Hawking escoa para fora, ela carrega essa marca com ela. Mas as perguntas permanecem: como é que a matéria em queda faz esta "marca"? E como é que isso marca tatua em si mesma na radiação que sai?"O trabalho de Hawking gerou muita discussão", diz 't Hooft. Isso o fez rever uma ideia que ele tinha proposto pela primeira vez em 1987. "Eu percebi que eu posso fazer um cálculo melhor", disse ele.

 A ideia de 't Hooft diz que a gravidade responde a duas perguntas. Se um elefante começa a deslizar ao longo da borda, acontecem alterações do campo gravitacional do animal. Quando a radiação Hawking de saída passa pelo campo gravitacional, o seu caminho é alterado e pode transmitir informações sobre paquiderme condenada.

Informações sobre ele, como sua massa, em seguida, saltam para o espaço, apesar de o próprio animal não ter a mesma sorte.

Informações duplicadas
"Mesmo que nós descrevemos os modos da matéria em queda que 'se recuperam contra o horizonte', estes saltos só se referem às informações que nossas partículas estão carregando, enquanto as partículas continuarão seu caminho de queda para dentro, " escreveu 't Hooft no artigo.
As ideias de Hawking e 't Hooft têm um problema semelhante: a sobrecarga de informações. Suas soluções podem realmente fazer uma segunda cópia da informação, criando a informação em vez de destruí-la.
Se o pobre elefante vai para o buraco negro, todas as suas características irão com ele. Mas essa informação também paira no horizonte, no caso de Hawking, ou salta para fora, no caso de 't Hooft.
"A mecânica quântica proíbe tal duplicação", diz Steven Giddings, da Universidade da Califórnia, Santa Barbara. Também não está claro como a transferência de informação gravitacional engrena-se com a mecânica quântica. "O diabo está nos detalhes", diz Giddings.
A batalha sobre buracos negros está longe de terminar. Vamos ter de esperar por mais, em um estado de subcarga de informações, para ver o que realmente acontece na borda de um buraco negro.


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Este artigo foi escrito por Eugene Lim partir do King  College de Londres, e foi originalmente publicado em The Conversation

A existência de universos paralelos pode parecer algo inventado por escritores de ficção científica, com pouca relevância para a física teórica moderna. Mas a ideia de que vivemos em um 'multiverso' composto por um número infinito de universos paralelos tem sido considerada uma possibilidade científica - embora ela ainda seja uma questão de debate vigoroso entre os físicos. A corrida agora é para encontrar uma maneira de testar a teoria, incluindo a busca de sinais de colisões com outros universos.

É importante ter em mente que a visão multiverso não é realmente uma teoria, é sim uma consequência de nossa compreensão atual da física teórica. Esta distinção é crucial. Nós não temos acenado nossas mãos e dizendo: "Que haja um multiverso". Em vez disso, a ideia de que o Universo é talvez um dos infinitamente muitos é derivada de teorias atuais, como a mecânica quântica e a teoria das cordas.

A interpretação de muitos mundos

Você pode ter ouvido o experimento mental do gato de Schrödinger, um animal assustador que vive em uma caixa fechada. O ato de abrir a caixa nos permite acompanhar uma das histórias de possíveis futuros de nosso gato, incluindo uma em que ele está morto e outra em que ele está vivo. A razão que esta parecer tão impossível é simplesmente porque a nossa intuição humana não está familiarizada com ele.

Mas isso é perfeitamente possível de acordo com as regras estranhas da mecânica quântica. A razão pela qual isso pode acontecer é que o espaço de possibilidades na mecânica quântica é enorme. Matematicamente, um estado da mecânica quântica é uma soma (ou superposição) de todos os estados possíveis. No caso do gato de Schrödinger, o gato é a superposição de estados "morto" e "vivo".

Mas como podemos interpretar isto de modo que possa fazer qualquer sentido prático? Uma forma popular é pensar em todas essas possibilidades como dispositivos de medição de contabilidade de modo que o único estado "objetivamente verdadeiro" do gato é aquele que observamos. No entanto, podemos muito bem optar por aceitar que todas essas possibilidades são verdadeiras, e que elas existem em diferentes universos de um multiverso.

A paisagem das cordas

A teoria das cordas é um dos nossas mais, se não a mais, promissora teoria que é capaz de unificar a mecânica quântica e a gravidade. Isto é notoriamente difícil porque a força gravitacional é tão difícil de descrever em pequenas escalas quanto os átomos e partículas subatômicas - o que só é explicado através da ciência da mecânica quântica. Mas a teoria das cordas, que afirma que todas as partículas fundamentais são feitas de cordas unidimensionais, pode descrever todas as forças conhecidas da natureza de uma só vez: gravidade, eletromagnetismo e as forças nucleares.

No entanto, para a teoria das cordas trabalhar matematicamente, exige pelo menos dez dimensões físicas. Uma vez que só podemos observar quatro dimensões: altura, largura, profundidade (espacial) e tempo (temporal), as dimensões adicionais da teoria das cordas devem, portanto, ser escondidas de alguma forma, se ela for correta. Para ser capaz de usar a teoria para explicar um fenômeno físico, estas dimensões adicionais têm de ser 'compactadas' de tal maneira que elas ficam demasiado pequenas para serem vistas. Dessa forma, talvez, para cada uma de nossas grandes quatro dimensões espaço-temporais, existem seis direções extras indistinguíveis?

Um problema, ou alguns diriam, uma característica, da teoria das cordas é que há muitas maneiras de fazer essa compactificações - 10500 possibilidades é um número geralmente elogiado. Cada uma destas compactificações resultará num universo com diferentes leis físicas - tais como diferentes massas de elétrons e diferentes constantes de gravidade. No entanto, há também vigorosas objeções à metodologia de compactificação, então o problema não é resolvido completamente.

Mas dado isso, a pergunta óbvia é: qual destas possibilidades é que estamos vivendo? A teoria das cordas em si não fornece um mecanismo para prever corretamente a realidade, o que a torna inútil a medida que não podemos testá-la. Mas, felizmente, uma ideia do nosso estudo da cosmologia do Universo primordial transformou esta falha em um recurso.

O início do Universo

Durante o Universo primordial, logo após o Big Bang, o Universo passou por um período de expansão acelerada chamado de inflação. A inflação foi invocada originalmente para explicar por que o Universo observacional atual é quase uniforme em temperatura. No entanto, a teoria também previu um espectro de variações de temperatura ao redor esse equilíbrio que foi posteriormente confirmado por várias naves espacial como a Cosmic Background Explorador, Wilkinson Microwave Anisotropy Probe e a nave espacial PLANCK.

Embora os detalhes exatos da teoria ainda estão sendo debatidos, a inflação é amplamente aceita pelos físicos. No entanto, uma consequência dessa teoria é que deve haver outras partes do Universo que ainda estão se acelerando. No entanto, devido às flutuações quânticas do espaço-tempo, algumas partes do Universo nunca realmente atingiram o estado final da inflação. Isto significa que o Universo está, pelo menos, de acordo com a nossa compreensão atual, eternamente se inflando. Algumas partes podem, portanto, acabarem se tornando outros universos, o que gera outros universos, que gera outros universos e assim por diante. Este mecanismo gera um número infinito de universos.

Ao combinar este cenário com a teoria das cordas, existe uma possibilidade de que cada um desses universos possuirem uma compactificação diferente das outras dimensões e, consequentemente, tem as leis físicas diferentes.

A radiação cósmica de fundo. Ondas e sinais de colisões com outros universos gravitacionais percorrem. Créditos: WMAP da NASA / wikimedia

Testando a teoria

Os universos previstos pela teoria das cordas e a inflação vivendo no mesmo espaço físico (ao contrário dos muitos universos da mecânica quântica, que vivem em um espaço matemático), podem se sobrepor ou colidir. Na verdade, eles inevitavelmente devem colidir, deixando possíveis assinaturas cósmicas no céu que podemos tentar procurar.

Os detalhes exatos das assinaturas dependem intimamente dos modelos - que vão desde pontos quentes ou frios na radiação cósmica de fundo para anomalias vazias na distribuição de galáxias. No entanto, uma vez que as colisões com outros universos deve ocorrer em uma determinada direção, uma expectativa geral é que todas as assinaturas vai quebrar a uniformidade do nosso Universo observável.

Essas assinaturas estão sendo ativamente perseguidas por cientistas. Alguns estão olhando para elas diretamente através de impressões no fundo de microondas cósmico, o brilho do Big Bang. No entanto, nenhuma dessas assinaturas ainda está sendo vista. Outros estão à procura de um apoio indireto tais como as ondas gravitacionais, que são ondulações no espaço-tempo quando objetos maciços cruzam o espaço. Essas ondas poderiam provar diretamente a existência da inflação, que em última análise reforça o apoio da teoria do multiverso.

Se nós nunca vamos ser capazes de provar a sua existência é difícil de prever. Mas, tendo em vista as implicações enormes de tal constatação, a busca deve definitivamente valer a pena.

Traduzido e adaptado de Science Alert

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Mapa interativo liga toda a física conhecida. Créditos: Quanta Magazine
Desde o início da civilização", escreveu Stephen Hawking em seu best-seller internacional Uma Breve História do Tempo, "as pessoas não têm se contentado em testemunhar eventos desconectados e inexplicáveis. Elas têm desejado uma compreensão da ordem subjacente no mundo. "

Na busca de uma descrição coerente, unificada de toda a natureza — uma "teoria do tudo" — os físicos descobriram raízes ligando cada vez mais fenômenos díspares. Com a lei da gravitação Universal, Isaac Newton ligou a queda de uma maçã às órbitas dos planetas. Albert Einstein, em sua teoria da relatividade, teceu o espaço e o tempo em uma única malha e mostrou como as maçãs e planetas caem ao longo de curvas desse tecido. E hoje, todas as conhecidas partículas elementares conectam-se ordenadamente em uma estrutura matemática chamada o modelo padrão. Mas nossas teorias físicas permanecem crivadas com desuniões, buracos e inconsistências. Estas são questões profundas que devem ser respondidas em perseguição a teoria do tudo.

Um novo mapa da fronteira da física fundamental, construído pelo desenvolvedor interativo Emily Fuhrman da Quanta Magazine, faz questionamentos de peso mais ou menos de acordo com a sua importância no avanço do campo. Parecia natural para dar maior peso para a busca de uma teoria da gravidade quântica, que abarcaria a relatividade geral e a mecânica quântica, num quadro único. Em seu trabalho do dia-a-dia, porém, muitos físicos concentram mais no enraizamento da matéria escura, resolvendo o problema da hierarquia do Modelo Padrão, e ponderando os acontecimentos em buracos negros, esses engolidores misteriosos de espaço e tempo. Para cada questão, o mapa apresenta várias soluções propostas. As relações entre estas propostas formam uma rede de idéias.

Alguns dos principais temas dispostos no mapa são:


O mapa fornece descrições concisas de teorias muito complexas; você poderá aprender mais, explorando os links para dezenas de artigos e vídeos, e escolher as idéias que você achar mais elegantes ou promissoras. Finalmente, o mapa é extenso, mas dificilmente exaustivo; Você pode conferir a versão original em inglês aqui.

Traduzido e adaptado de Quanta Magazine
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Se o gato do famoso experimento mental de Erwin Schrödinger de se comportar de acordo com a teoria quântica, ele é capaz de existir em vários estados ao mesmo tempo: morto ou vivo. A explicação dos físicos do porquê que não vemos tais superposições quânticas — em gatos ou qualquer outro aspecto do mundo todos os dias — é a interferência do ambiente. Assim que um objeto quântico interage com uma partícula perdida ou um campo, ele adquire apenas um estado, entrando em colapso em nosso modo de exibição clássico, todos os dias.

Mas mesmo que os físicos pudessem isolar completamente um objeto grande em uma superposição quântica, de acordo com pesquisadores da Universidade de Viena, ele ainda entraria em colapso em um estado — na superfície da Terra, pelo menos. "Em algum lugar no espaço interestelar, pode ser que o gato tenha uma chance de preservar a coerência quântica, mas na Terra, ou perto de qualquer planeta, há pouca esperança de que isso ocorra," disse Igor Pikovski. A razão, ele afirma, é a gravidade.

A ideia de Pikovski e seus colegas, dispostas em um artigo publicado na Nature Physics em 15 de junho, é atualmente apenas um argumento matemático. Mas experimentadores esperam testar se a gravidade realmente colapsoa superposições quânticas, disse Hendrik Ulbricht, um físico experimental na Universidade de Southampton, UK. "Esta é uma ideia legal, nova, e eu estou pronto para tentar vê-la em experimentos," disse ele. A montagem da tecnologia para fazer isso, no entanto, pode demorar até uma década, disse ele.

Nas salas de cinema onde o filme interestelar foi rodado já estão familiarizadas com o princípio básico por trás do trabalho da equipe de Viena. A teoria da relatividade de Einstein afirma que um objeto extremamente massivo faz com que os relógios próximos sejam executados mais lentamente, porque seu forte campo gravitacional estica o tecido do espaço-tempo (motivo pelo qual um personagem no filme envelheceu somente uma hora perto de um buraco negro, enquanto sete anos se passaram na Terra). Em uma escala mais sutil, uma molécula colocada mais próxima de superfície da Terra, experimenta um tempo um pouco mais lento do que uma colocada um pouco mais longe.

Por causa do efeito da gravidade no espaço-tempo, a equipe do Pikovski percebeu que essa variação em da posição de uma molécula também irá influenciar a sua energia interna — as vibrações das partículas dentro da molécula, que evoluem ao longo do tempo. Se uma molécula fosse colocada em uma superposição quântica de dois lugares, a correlação entre a posição e a energia interna logo causaria a dualidade para 'descodificar' à molécula de tomar apenas um caminho, sugeriram eles. "A maioria das situações de incoerência é devido a algo externo; aqui é como se o balançar interno estivesse interagindo com o movimento da molécula em si,"adiciona Pikovski.

Um limite prático

Ninguém ainda viu esse efeito porque outras fontes de dispersão — como campos magnéticos, radiação térmica e vibrações — são tipicamente muito mais fortes e causam colapsos em sistemas quânticos muito antes de gravidade se tornar um problema. Mas pesquisadores estão ansiosos para experimentar isso.

Markus Arndt, um físico experimental também da Universidade de Viena, já testa se superposições quânticas podem ser observadas para objetos - embora não do tamanho de gatos - grandes. Ele envia grandes moléculas através de um interferômetro de onda-partícula, um sistema que dá a cada molécula de uma escolha de dois caminhos diferentes. No modo de exibição clássico, uma molécula viaja por um caminho; uma molécula  quântica efetivamente passa por ambas as rotas de uma vez e interfere em si para criar um padrão de onda característico (veja imagem abaixo).

Um padrão de interferência quântica construída a partir de moléculas complexas conhecidas como ftalocianinas.

Um conjunto semelhante acima poderia ser usado para testar a capacidade da gravidade destruir o comportamento quântico: comparando um interferômetro vertical, em que a superposição deve em breve descodificar devido o alongamento do tempo em um caminho contra o outro, com um conjunto horizontal, onde a superposição poderia permanecer. Arndt, que testou o efeito de moléculas com até 810 átomos, assinala que as grandes moléculas seriam boas para testar o efeito gravitacional pois elas contêm muitas partículas que contribuem para a energia interna. Mas não só os pesquisadores teriam que suprimir ainda mais o ambiente externo para reduzir outros efeitos de incoerência como também precisariam aumentar a separação dos dois caminhos de micrômetros para metros, ou então usar moléculas talvez 1 milhão de vezes mais massiva. "É certamente muito desafiador," diz Arndt.

Se o efeito da gravidade limita o comportamento quântico na Terra, testes de realidade quântica para grandes objetos eventualmente podem ter que mover-se para o espaço, diz Angelo Bassi, um físico da Universidade de Trieste, na Itália. "Mas a partir de um profundo ponto, de vista fundamental, isso não é novidade", diz ele. Um campo gravitacional é apenas mais um ambiente de interação, então, isso não explica se o comportamento quântico poderá conduzir a realidade clássica se a influência da gravidade fora mitigada - por exemplo, fazendo o experimento no espaço sem gravidade.

O efeito descrito por Pikovski e colegas também não diz nada sobre gravidade quântica: a teoria de que uniria gravidade e a mecânica quântica em uma única descrição, que muitos pesquisadores estão trabalhando. "É um efeito interessante, mas ainda é a física quântica aplicada na relatividade geral clássica. Dessa forma ela não muda a nossa imagem do mundo ", acrescenta Bassi.

Traduzido e adaptado de Science
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Como duas mentes combateram a aleatoriedade quântica para produzir uma nova teoria unificada? Um novo livro mostra a polêmica controvérsia  que ocorrera entre Einstein e Schrödinger no final dos anos 40.  

À esquerda, Albert Einstein, no início dos anos 30. à direita, Erwin Schrödinger, em 1950. Science & Society /Agence France-Presse
Em um dia frio de janeiro, em 1947, Erwin Schrödinger subiu ao pódio na Royal Academy irlandesa em Dublin e triunfante anunciou que havia conseguido algo na qual o próprio Albert Einstein tinha falhado nos últimos 30 anos. Schrödinger disse que tinha inventado uma teoria que unificava  tudo o que reconciliou a teoria da relatividade geral com a mecânica quântica. O anúncio causou sensação na imprensa internacional, que vergonhosamente assemelhou-se ao confronto de Davi e Golias, para grande desconforto de Schrödinger e irritação de Einstein. Ele quase destruiu sua amizade de longa data. A matéria tornou tão amarga em um ponto, com rumores de possíveis ações judiciais, que um outro colega, Wolfgang Pauli, interveio para mediar. Um total de três anos se passariam antes que os amigos distantes cautelosamente começassem a trocar cartas novamente.

Esta história dos dois físicos, sua busca compartilhada da unificação e o frenesi da mídia que lhes rasgaram ao meio é o foco do último livro de Paul Halpern, "O gato de Schrödinger e os dados de Einstein."

Esses homens eram aliados naturais. Ambos foram laureados com o Nobel, reconhecidos pelo trabalho fundamental nos primórdios da mecânica quântica. Cada um tinha uma inclinação filosófica forte, que moldou sua visão de mundo. Einstein favoreceu o trabalho de Spinoza, enquanto Schrödinger teve uma afinidade para Schopenhauer e se envolveu no misticismo oriental. Essas influências filosóficas contribuiram para a sua antipatia mútua da natureza probabilística da mecânica quântica, apesar de seu sucesso experimental deslumbrante.

Einstein não foi tímido em expressar suas objeções, quando famosamente declarou que Deus "não joga dados", o que levou Niels Bohr retrucar, "Pare de dizer a Deus o que fazer!" e Schrödinger vacilar um pouco mais em sua postura - mantendo, segundo Halpern, "uma superposição quântica de pontos de vista contrastantes" - mas, com tristeza,  confessou: "Eu não gosto disso, e eu sinto muito, eu nunca tive nada a ver com isso", para destacar o absurdo da interpretação de Copenhague da mecânica quântica, na qual ele propôs seu famoso paradoxo do gato.

Na sua essência, este é também o conto de duas equações: equação da relatividade geral  de Einstein e equação de onda de Schrödinger, que regem os reinos do muito grande e o muito pequeno. O físico Paul Dirac reconciliou a equação de onda com a relatividade especial, em 1928, dividindo o Prêmio Nobel com Schrödinger por seus esforços. Mas a relatividade geral, até agora , tem resistido a todos os esforços em ser semelhante assimilada com uma teoria completa da gravidade quântica. Para compreender por como isso acontece, exige um aprofundamento em algum material muito inebriante e  matematicamente densa.

Halpern, um físico da Universidade de Ciências da Filadélfia, faz o seu melhor para aterrar o leitor casual com analogias criativas e prosas salpicadas com flashes de sagacidade. O espaço tempo negativamente curvado (hiperbólico) - geralmente descrito como uma forma de sela - torna-se "uma batata frita curvada". A Noção dos quanta de Max Planck é visualizada como "encher um cofrinho com um pilha de moedas de várias denominações", enquanto equação de onda de Schrödinger é semelhante a "um scanner que processa funções de onda e, em alguns casos lê seu valor energético e os guarda, enquanto em outros casos ele os descarta".

Muitos estudantes de física tem rangido os dentes em frustração sobre a matemática da relatividade geral. Para entender essa difícil matemática, alguns recorrem à analogias. Então, consideremos esta seguinte: Imagine um deserto plano e sem limites, com pedras de vários tamanhos espalhados por toda a sua superfície, cuja massa cria protuberâncias de diversas profundidades na areia. Uma tendal resistente paira sobre este deserto, firmemente esticado em um esqueleto de tendas ligados por barras, combinando o levantar e o mergulhar das areia abaixo. O deserto é toda a matéria e energia do universo, enquanto a tenda é a geometria do espaço-tempo. Os postes e barras são as equações da relatividade geral, conectando as coisas do universo com a forma do universo. Como Halpern escreve: "Massa e  energia deformam espaço-tempo, dizendo-lhe onde e como curvar-se. A forma do espaço-tempo, por sua vez, controla o modo como as coisas se movem dentro dele. "

Apesar deste dom para explicação clara, tais momentos são muitas vezes precedidos por grandes pedaços de prosas técnicas, cheias de jargões e novas versões no chão bem explorado da história. A primeira metade do livro, sobretudo, padece neste matéria; há um pequena parcela de coisas novas que podem surpreender e encantar o leitor. Continua a ser uma questão relevante, evidenciada pela chamada "velocidade mais rápida do que a luz" em neutrinos no fiasco visto a alguns anos atrás, quando um experimento OPERA Europeu apelou e surpreendeu o mundo com um anúncio público prematuro que tinha cronometrado neutrinos viajando a frações de segundo mais rápido do que a velocidade da luz - uma aparente violação do limite de velocidade cósmica de Einstein. (Esse resultado foi posteriormente demonstrado ser um erro de calibração e não uma violação da relatividade.)

Em toda essa emoção midiática sobre as tentativas de Einstein na unificação, Halpern observa com razão que seus colegas foram em grande parte indiferente. A corrente principal da física deixou para trás como o Modelo Padrão da física das partículas tomou forma, e as abordagens matemáticas, uma vez exploradas por Einstein e Schrödinger tem dado forma a teoria das cordas e gravidade quântica em loop, dois dos candidatos mais promissores para a gravitação quântica.

Os físicos devem finalmente terão êxito e corrigir suas falhas e descreverão inteiramente o nosso universo? 

 Halpern não suspeita, pois ainda há muitas questões em aberto na física; ele cita a natureza misteriosa da matéria escura e energia escura como exemplos. No entanto, eles vão perseverar, como Einstein, que pediu um lápis e suas notas do dia antes de morrer para que ele pudesse continuar a trabalhar em seus cálculos e foi até o fim na sua busca sonhadora da unificação.

 Traduzido e adaptado do The New York Times
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Essa é a terceira e última parte da série sobre quantização do tecido do espaço-tempo apresentada esta semana. Para início, primeiramente use a sua imaginação e pense que o tecido do espaço-tempo seja descascado camada por camada...
Em 1915, as equações de campo da gravitação de Albert Einstein revolucionou a nossa compreensão do espaço, do tempo e da gravidade. Mais conhecida como a relatividade geral, a Teoria da Gravidade de Einstein definiu as curvas na geometria do espaço-tempo, derrubando a teoria clássica de Isaac Newton e predizendo corretamente a existência de buracos negros e a capacidade da gravidade de dobrar a luz. Mas um século depois, a natureza fundamental do espaço-tempo permanece envolta em mistério: De onde é que a sua estrutura vem? Com o que o espaço-tempo e a gravidade se parecem no reino quântico subatômico?

A resposta é curta e grossa: Nós não sabemos! 

Mas muitos físicos, como escreveu Jennifer Ouellette em "Como Pares Quânticos costuram o Espaço-Tempo, há muito tempo "suspeita de uma ligação profunda entre o entrelaçamento quântico — a 'ação fantasmagórica à distância' que tão intrigava Albert Einstein — e a geometria do espaço-tempo em escalas da menores." Como emaranhamento pode costurar o tecido estruturado do espaço-tempo?.  Uma idéia atraente recente, escreve KC Cole em " Buracos de Minhoca desvendam Paradoxos de Buracos Negros", sugere que o entrelaçamento quântico" poderia estar criando o "Conectividade espacial 'que' costura espaço em conjunto," de acordo com Leonard Susskind , um físico da Universidade de Stanford e um dos principais arquitetos da ideia. "Esta ideia, embora ainda em sua infância, resolveria o incômodo paradoxo do firewall do buraco negro e, sedutoramente, poderia ajudar a explicar a gravidade quântica.

Para ilustrar como o espaço-tempo pode surgir a partir de emaranhamento quântico, a Quanta Magazine convidou Owen Cornec, um companheiro de visualização de dados do John F. Kennedy School of Government da Universidade de Harvard, que imaginou o que há por trás das camadas de espaço e como elas encontram-se em redes emaranhadas. A apresentação interativa resultante serve como a terceira parcela da nossa série sobre "O Tecido quântico do espaço-tempo" e você poderá vê-la aqui. 
A medida que você explorar o mundo virtual do Cornec, é importante notar que ele não tenta transmitir como o emaranhamento, na verdade, "costura o espaço" (ninguém sabe o que se pareceria exatamente, ou mesmo se isso é como a realidade diz), ou para descrever o conceito holográfico ou os buracos de minhoca mencionados nas duas primeiras partes desta série.


No desenvolvimento desta experiência interativa - com orientação técnica a partir do desenhista Olena Shmahalo - Cornec disse que usou a tecnologia WebGL ( confira aqui se o seu navegador suporta o WebGL. Dispositivos móveis e navegadores não suportados terão como aplicativo padrão um vídeo screencast) para criar o ambiente tridimensional. "Eu simplesmente coloco a Via Láctea, Terra e redes em 3-D em estreita sucessão para que possamos facilmente voar através de cada nível em uma linha reta", disse ele, acrescentando que ele construiu uma câmera personalizada com escala logarítmica para ser capaz de rapidamente dar um zoom de uma estrutura astronomicamente grande até o mais infinitamente pequeno.

Confira os dois primeiros artigos da série:
parte 1 - Buracos de minhoca ajudam a desvendar paradoxos em buracos negrosComo pares de 
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