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Física teórica: origens do espaço e do tempo

Muitos pesquisadores acreditam que a física não será completa até que ele possa explicar não apenas o comportamento do espaço e do tempo, mas de onde essas entidades são provenientes.

Ferramentas do artigo”Imagine acordar um dia e percebendo que você realmente vive dentro de um jogo de computador”, diz Mark Van Raamsdonk, descrevendo o que parece um tom para um filme de ficção científica. Mas para Van Raamsdonk, um físico da Universidade da Colúmbia Britânica em Vancouver, no Canadá, esse cenário é uma maneira de pensar sobre a realidade. Se é verdade, ele diz: “tudo ao nosso redor – todo o mundo físico tridimensional – é uma ilusão nascida de informações codificadas em outro lugar, em um chip bidimensional”. Isso tornaria nosso Universo, com suas três dimensões espaciais, um tipo de holograma, projetado a partir de um substrato que existe apenas em dimensões mais baixas.

Este “princípio holográfico” é estranho, mesmo pelos padrões habituais de física teórica. Mas Van Raamsdonk é um dos pequenos pesquisadores que acham que as idéias usuais ainda não são suficientemente estranhas. Se nada mais, eles dizem, nenhum dos dois grandes pilares da física moderna – a relatividade geral, que descreve a gravidade como uma curvatura do espaço e do tempo, e a mecânica quântica, que governa o reino atômico – dá conta da existência de espaço e Tempo. Nem a teoria das cordas, que descreve fios elementares de energia.

Van Raamsdonk e seus colegas estão convencidos de que a física não estará completa até que possa explicar como o espaço eo tempo emergem de algo mais fundamental – um projeto que exigirá conceitos pelo menos tão audaciosos como a holografia. Eles argumentam que essa reconceptualização tão radical da realidade é a única maneira de explicar o que acontece quando a “singularidade” infinitamente densa no núcleo de um buraco negro distorce o tecido do espaço-tempo além de todo o reconhecimento, ou como os pesquisadores podem unificar o nível atômico Teoria quântica e relatividade geral do nível planetário – um projeto que resistiu aos esforços dos teóricos por gerações.

“Todas as nossas experiências nos dizem que não devemos ter duas concepções dramaticamente diferentes da realidade – deve haver uma enorme e abrangente teoria”, diz Abhay Ashtekar, físico da Universidade Estadual da Pensilvânia no University Park.

Encontrar essa enorme teoria é um desafio assustador. Aqui, a Nature explora algumas linhas promissoras de ataque – assim como algumas das idéias emergentes sobre como testar esses conceitos (veja ‘O tecido da realidade’ ).

NIK SPENCER / NATURE; Painel 4 adaptado de Budd, T. & Loll, R. Phys. Rev. D 88, 024015 (2013)

Gravidade como termodinâmica

Uma das perguntas mais óbvias a perguntar é se este esforço é uma tarefa errada. Onde está a evidência de que realmente existe algo mais fundamental do que o espaço e o tempo?

Uma dica provocativa vem de uma série de descobertas surpreendentes feitas no início da década de 1970, quando ficou claro que a mecânica quântica ea gravidade estavam intimamente interligadas com a termodinâmica, a ciência do calor.

Em 1974, o mais famoso, Stephen Hawking da Universidade de Cambridge, no Reino Unido, mostrou que os efeitos quânticos no espaço em torno de um buraco negro farão com que ele vomite a radiação como se estivesse quente. Outros físicos rapidamente determinaram que esse fenômeno era bastante geral. Mesmo em um espaço completamente vazio, eles descobriram, um astronauta passando por aceleração perceberia que ele ou ela estava cercado por um banho de calor. O efeito seria pequeno demais para ser perceptível para qualquer aceleração alcançável pelos foguetes, mas parecia fundamental. Se a teoria quântica e a relatividade geral são corretas – e ambas foram corroboradas abundantemente por experiência – então a existência de radiação Hawking pareceu inevitável.

Uma segunda descoberta chave foi intimamente relacionada. Na termodinâmica padrão, um objeto pode irradiar calor apenas diminuindo sua entropia, uma medida do número de estados quânticos dentro dele. E assim é com buracos negros: mesmo antes do artigo de Hawking em 1974, Jacob Bekenstein, agora na Universidade Hebraica de Jerusalém, havia mostrado que os buracos negros possuem entropia. Mas havia uma diferença. Na maioria dos objetos, a entropia é proporcional ao número de átomos que o objeto contém e, portanto, ao seu volume. Mas a entropia de um buraco negro revelou-se proporcional à área superficial do seu horizonte de eventos – o limite do qual nem mesmo a luz pode escapar. Era como se aquela superfície de alguma forma codificasse informações sobre o que estava dentro, assim como um holograma bidimensional codifica uma imagem tridimensional.

Em 1995, Ted Jacobson, físico da Universidade de Maryland no College Park, combinou esses dois achados e postulou que cada ponto do espaço encontra-se num pequeno “horizonte de buracos negros” que também obedece ao relacionamento da área de entropia. A partir disso, ele descobriu que a matemática produziu as equações de Einstein da relatividade geral – mas usando apenas conceitos termodinâmicos, e não a idéia de dobrar o espaço-tempo 1 .

“Isso parecia dizer algo sobre as origens da gravidade”, diz Jacobson. Em particular, as leis da termodinâmica são de natureza estatística – uma média macroscópica sobre os movimentos de uma miríade de átomos e moléculas – de modo que seu resultado sugeriu que a gravidade também é estatística, uma aproximação macroscópica aos constituintes não vistos do espaço e do tempo.Em 1995, Ted Jacobson, físico da Universidade de Maryland no College Park, combinou esses dois achados e postulou que cada ponto do espaço encontra-se num pequeno “horizonte de buracos negros” que também obedece ao relacionamento da área de entropia. A partir disso, ele descobriu que a matemática produziu as equações de Einstein da relatividade geral – mas usando apenas conceitos termodinâmicos, e não a ideia de dobrar o espaço-tempo 1 .

Em 2010, essa idéia foi levada um passo adiante por Erik Verlinde, um teórico da cadeia na Universidade de Amsterdã, que mostrou 2 que a termodinâmica estatística dos constituintes do espaço-tempo – o que quer que eles se tornassem – poderia gerar automaticamente a lei de Newton de Atração gravitacional.

E em trabalho separado, Thanu Padmanabhan, cosmólogo do Centro Interuniversitário de Astronomia e Astrofísica em Pune, na Índia, mostrou 3 que as equações de Einstein podem ser reescritas de uma forma que as torna idênticas às leis da termodinâmica – como podem muitas alternativas Teorias da gravidade. Padmanabhan está atualmente estendendo a abordagem termodinâmica em um esforço para explicar a origem e a magnitude da energia escura: uma misteriosa força cósmica que está acelerando a expansão do Universo.

Testar essas idéias de forma empírica será extremamente difícil. Da mesma forma que a água parece perfeitamente suave e fluida até que seja observada na escala de suas moléculas – uma fração de um nanômetro – as estimativas sugerem que o espaço-tempo parecerá contínuo até a escala de Planck: aproximadamente 1035 Metros, ou cerca de 20 ordens de magnitude menores do que um protão.

Mas pode não ser impossível. Uma maneira frequentemente mencionada de testar se o espaço-tempo é feito de constituintes discretos é procurar atrasos à medida que os fótons de alta energia viajam para a Terra a partir de eventos cósmicos distantes, como explosões de supernovas e raios γ. Com efeito, os fótons de comprimento de onda mais curtos sentiriam a discretibilidade como uma sutil bumpiness na estrada que eles tinham que viajar, o que os desaceleraria tão ligeiramente. Giovanni Amelino-Camelia, pesquisador de gravidade quântica da Universidade de Roma, e seus colegas encontraram 4 dicas de atrasos nos fótons de uma explosão de γ gravada em abril. Os resultados não são definitivos, diz Amelino-Camelia, mas o grupo planeja expandir sua pesquisa para analisar os tempos de viagem dos neutrinos de alta energia produzidos por eventos cósmicos. Ele diz que, se as teorias não podem ser testadas, “Então para mim, eles não são ciência. Eles são apenas crenças religiosas, e eles não me interessam. “

Outros físicos estão a analisar testes laboratoriais. Em 2012, por exemplo, pesquisadores da Universidade de Viena e do Imperial College de Londres propuseram 5 experiências de mesa em que um espelho microscópico seria movido com lasers. Eles argumentaram que as granularidades da escala de Planck no espaço-tempo produziriam mudanças detectáveis ​​na luz refletida pelo espelho (veja Nature http://doi.org/njf ; 2012).

Gravidade quântica em loop

Mesmo que seja correto, a abordagem termodinâmica não diz nada sobre quais os constituintes fundamentais do espaço e do tempo. Se o espaço-tempo é um tecido, por assim dizer, então, quais são seus tópicos?

Uma possível resposta é bastante literal. A teoria da gravidade quântica do loop, que está em desenvolvimento desde meados da década de 1980 por Ashtekar e outros, descreve o tecido do espaço-tempo como uma tela de fios de aranha em evolução que traz informações sobre as áreas quantificadas e os volumes das regiões que passam Até 6 . As vertentes individuais da web devem, eventualmente, unir suas extremidades para formar loops – daí o nome da teoria – mas não tem nada a ver com as cordas muito mais conhecidas da teoria das cordas. Os últimos se movem no espaço-tempo, enquanto as vertentes realmente são espaço-tempo: a informação que eles carregam define a forma do tecido espaço-temporal em sua vizinhança.

Como os loops são objetos quânticos, eles também definem uma unidade mínima de área da mesma maneira que a mecânica quântica ordinária define uma energia mínima do estado do solo para um elétron em um átomo de hidrogênio. Esse quantum de área é um remendo aproximadamente uma escala de Planck em um lado. Tente inserir uma vertente extra que leve menos área, e simplesmente se desconectará do resto da web. Não será capaz de se ligar a qualquer outra coisa e irá efetivamente sair do espaço-tempo.

Gravidade quântica em loop

Esta simulação mostra como o espaço evolui na gravidade quântica do loop. As cores dos rostos dos tetraedros indicam a quantidade de área existente nesse ponto, em um determinado momento de tempo.

Uma conseqüência bem-vinda de uma área mínima é que a gravidade quântica do loop não pode espremer uma quantidade infinita de curvatura em um ponto infinitesimal. Isso significa que não pode produzir o tipo de singularidades que fazem com que as equações de relatividade geral de Einstein se desmoronem no instante do Big Bang e nos centros dos buracos negros.

Em 2006, Ashtekar e seus colegas relataram 7 uma série de simulações que aproveitaram esse fato, usando a versão de gravidade quântica de loop das equações de Einstein para executar o relógio para trás e visualizar o que aconteceu antes do Big Bang. O cosmos invertido contraiu-se contra o Big Bang, conforme esperado. Mas, à medida que se aproximava do limite de tamanho fundamental ditado pela gravidade quântica do loop, uma força repulsiva chutou e manteve a singularidade aberta, transformando-a em um túnel para um cosmos que precedeu o nosso.

Este ano, os físicos Rodolfo Gambini da Universidade Uruguai da República em Montevidéu e Jorge Pullin, da Universidade Estadual de Louisiana em Baton Rouge, relataram 8 simulação semelhante para um buraco negro. Eles descobriram que um observador que viajava profundamente no coração de um buraco negro não encontraria uma singularidade, mas um túnel espaço-tempo fino que levaria a outra parte do espaço. “Descartar o problema da singularidade é uma conquista significativa”, diz Ashtekar, que está trabalhando com outros pesquisadores para identificar assinaturas que teriam sido deixadas por um salto, em vez de um estrondo, no fundo cósmico de microondas – a radiação sobrante de A expansão maciça do Universo em seus momentos infantis.

A gravidade quântica do laço não é uma teoria unificada completa, porque não inclui outras forças. Além disso, os físicos ainda não mostraram como o espaço-tempo comum emergiria de uma telha de informação. Mas Daniele Oriti, físico do Instituto Max Planck de Física Gravitacional em Golm, na Alemanha, espera encontrar inspiração no trabalho de físicos de matéria condensada, que produziram fases exóticas de matéria que passam por transições descritas pela teoria do campo quântico. Oriti e seus colegas estão procurando fórmulas para descrever como o Universo pode mudar a fase de forma semelhante, passando de um conjunto de loops discretos para um espaço-tempo suave e contínuo. “É nos primeiros dias e nosso trabalho é difícil porque somos peixes nadando no fluido ao mesmo tempo que tentamos entender isso”, diz Oriti.

Conjuntos causais

Tais frustrações levaram alguns pesquisadores a buscar um programa minimalista conhecido como teoria dos conjuntos causais. Pioneiro de Rafael Sorkin, físico no Instituto Perimeter de Waterloo, no Canadá, a teoria postula que os blocos de construção do espaço-tempo são simples pontos matemáticos conectados por links, com cada link apontando de passado para futuro. Esse vínculo é uma representação de causalidade de ossos baixos, o que significa que um ponto anterior pode afetar um posterior, mas não vice-versa. A rede resultante é como uma árvore crescente que gradualmente se acumula no espaço-tempo. “Você pode pensar que o espaço surge dos pontos de uma maneira similar à da temperatura que surge dos átomos”, diz Sorkin. “Não faz sentido perguntar:” Qual é a temperatura de um único átomo? ” Você precisa de uma coleção para que o conceito tenha significado. “

No final de 1980, Sorkin utilizado neste quadro para estimar 9 o número de pontos que o Universo observável deve conter, e argumentou que eles deveriam dar origem a uma pequena energia intrínseca que faz com que o Universo para acelerar sua expansão. Poucos anos depois, a descoberta da energia escura confirmou o seu palpite. “As pessoas geralmente pensam que a gravidade quântica não pode fazer previsões testáveis, mas aqui é um caso em que o fez”, diz Joe Henson, um pesquisador de gravidade quântica no Imperial College, Londres. “Se o valor da energia escura tivesse sido maior, ou zero, a teoria dos conjuntos causais teria sido descartada”.

Triangulações dinâmicas causais

Isso dificilmente constituiu uma prova, no entanto, e a teoria dos setores causais ofereceu poucas outras previsões que poderiam ser testadas. Alguns físicos acharam muito mais proveitoso usar simulações de computador. A idéia, que remonta ao início dos anos 90, é aproximar os constituintes fundamentais desconhecidos com pequenos pedaços de espaço-espaço comum, apanhados em um mar cheio de flutuações quânticas, e seguir como esses pedaços se colam espontaneamente em estruturas maiores.

Os primeiros esforços foram decepcionantes, diz Renate Loll, um físico agora na Universidade Radboud em Nijmegen, na Holanda. Os blocos de construção do espaço-tempo eram hiper-pirâmides simples – contrapartes tridimensionais para tetraedros tridimensionais – e as regras de colagem da simulação permitiram que eles se combinassem livremente. O resultado foi uma série de “universos” estranhos que tinham muitas dimensões (ou muito poucas), e que se dobraram sobre si mesmas ou quebraram em pedaços. “Foi um livre para todos que não devolveu nada que se assemelhe ao que vemos ao nosso redor”, diz Loll.

 

Triangulação dinâmica causal

Esta versão simplificada da triangulação dinâmica causal usa apenas duas dimensões: uma do espaço e uma do tempo. O vídeo mostra universos bidimensionais gerados por peças de espaço que se reúnem de acordo com as regras quânticas. Cada cor representa uma fatia através do universo em determinado momento após o Big Bang, que é retratado como uma pequena bola preta.

Mas, como Sorkin, Loll e seus colegas descobriram que adicionar causalidade mudou tudo. Afinal, diz Loll, a dimensão do tempo não é como as três dimensões do espaço. “Não podemos viajar de ida e volta a tempo”, diz ela. Assim, a equipe mudou suas simulações para garantir que os efeitos não pudessem vir antes de sua causa – e descobriu que os trocados do espaço-tempo começaram consistentemente a se montar em universos lisos de quatro dimensões com propriedades semelhantes aos nossos 10 .

Curiosamente, as simulações também sugerem que logo após o Big Bang, o Universo passou por uma fase infantil com apenas duas dimensões – uma do espaço e uma de todas as vezes. Esta previsão também foi feita de forma independente por outros tentando derivar equações de gravidade quântica e até mesmo alguns que sugerem que a aparência de energia escura é um sinal de que nosso Universo agora está crescendo uma quarta dimensão espacial. Outros mostraram que uma fase bidimensional no Universo inicial criaria padrões semelhantes aos já vistos no fundo de microondas cósmicas.

Holografia

Enquanto isso, Van Raamsdonk propôs uma ideia muito diferente sobre o surgimento do espaço-tempo, com base no princípio holográfico. Inspirado pela forma de holograma-like que os buracos negros armazenar toda a sua entropia na superfície, este princípio foi dado pela primeira vez uma forma matemática explícita por Juan Maldacena, um teórico das cordas no Instituto de Estudos Avançados de Princeton, New Jersey, que publicou 11 a Modelo influente de um universo holográfico em 1998. Nesse modelo, o interior tridimensional do universo contém cordas e buracos negros governados apenas pela gravidade, enquanto seu limite bidimensional contém partículas elementares e campos que obedecem às leis quânticas comuns sem gravidade.

Os residentes hipotéticos do espaço tridimensional nunca veriam esse limite, porque estaria infinitamente longe. Mas isso não afeta a matemática: qualquer coisa acontecendo no universo tridimensional pode ser descrita igualmente bem por equações no limite bidimensional e vice-versa.

Em 2010, Van Raamsdonk estudou o que isso significa quando partículas quânticas na fronteira estão “enredadas”, o que significa que as medidas feitas em uma inevitavelmente afetam os outros 12 . Ele descobriu que, se cada emaranhamento de partículas entre duas regiões separadas do limite for constantemente reduzido a zero, de modo que as ligações quânticas entre elas desapareçam, o espaço tridimensional responde dividindo-se gradualmente como uma célula separadora, até a última, fina Conexão entre as duas metades encaixa. Repetir esse processo irá subdividir o espaço tridimensional uma e outra vez, enquanto o limite bidimensional permanece conectado. Assim, de fato, Van Raamsdonk concluiu, o universo tridimensional está sendo mantido unido por emaranhamento quântico na fronteira – o que significa que, em certo sentido,

Ou, como diz Maldacena: “Isso sugere que o quantum é o mais fundamental e o espaço-tempo dele emerge”.

Natureza
500 ,
516-519
()
Doi : 10.1038 / 500516a

 

Fonte: http://www.nature.com/news/theoretical-physics-the-origins-of-space-and-time-1.13613

Tradução: Anthonio Magalhães

Referências

  1. Jacobson, T. Phys. Rev. Lett. 75 , 1260 – 1263 ( 1995 ).

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  2. Verlinde, E. J. High Energy Phys. Http://dx.doi.org/10.1007/JHEP04 (<span< a=””> Classe = “ano”> 2011) 029 (2011).</span<>

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  3. Padmanabhan, T. Rep. Prog. Phys. 73 , 046901 ( 2010 ).

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  4. Amelino-Camelia, G. , Fiore, F. , Guetta, D. & Puccetti, S. preprint emhttp://arxiv.org/abs/1305.2626 ( 2013 ).

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  5. Pikovski, I. , Vanner, MR , Aspelmeyer, M. , Kim, MS e Brukner, Č. Nature Phys. 8 , 393 – 397( 2012 ).

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  6. Ashtekar, A. preprint em http://arxiv.org/abs/1201.4598 ( 2012 ).

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  7. Ashtekar, A. , Pawlowski, T. & Singh, P. Phys. Rev. Lett. 96 , 141301 ( 2006 ).

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  8. Gambini, R. & Pullin, J. Phys. Rev. Lett. 110 , 211301 ( 2013 ).

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  9. Ahmed, M. , Dodelson, S. , Greene, PB & Sorkin, R. Phys. Rev. D 69 , 103523 ( 2004 ).

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  10. Ambjørn, J. , Jurkiewicz, J. & Loll, R. Phys. Rev. Lett. 93 , 131301 ( 2004 ).

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  11. Maldacena, JM Adv. Theor. Matemática. Phys. 2 , 231 – 252 ( 1998 ).

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  12. Raamsdonk, MV Gen. Rel. Grav. 42 , 2323 – 2329 ( 2010 ).

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