Duas teorias notavelmente bem-sucedidas explicam quase tudo o que vemos no universo, desde minúsculos átomos e moléculas até planetas, estrelas e galáxias. A mecânica quântica descreve o comportamento da matéria em escalas muito pequenas, enquanto a teoria da gravidade de Einstein explica como as estrelas e os buracos negros se movem e como o universo se expande.
Apesar do seu imenso sucesso, as duas teorias ainda não se encaixam. Os físicos passaram décadas procurando uma teoria da “gravidade quântica” que pudesse uni-los em uma descrição coerente da natureza.
o desafio da gravidade quântica
Uma expectativa central é que a gravidade deveria, em última análise, obedecer às leis da mecânica quântica. Essa possibilidade torna-se difícil de imaginar imediatamente.
A mecânica quântica permite que um objeto se mova em vários lugares ao mesmo tempo, um efeito que foi demonstrado repetidamente com átomos e até mesmo com pequenos pedaços de metal. Entretanto, a teoria de Einstein trata a gravidade como uma propriedade do espaço e do tempo – ela pode dobrar, achatar e suportar ondas que a atravessam, como confirmaram os detectores de ondas gravitacionais.
Por causa disso, muitos físicos presumiram que o espaço-tempo que circunda um objeto quântico pode ocupar vários “estados” simultaneamente.
Mas como seria isso realmente em um experimento?
Pesquisadores da Universidade de Kyushu, da Universidade de Waterloo e da Universidade de Estocolmo podem agora ter parte da resposta. Suas descobertas foram publicadas informação quântica npj.
Quando a gravidade quântica parece clássica
Os pesquisadores desenvolveram uma estrutura teórica que mostra que muitas das condições descritas como “superposição quântica da gravidade” podem ser interpretadas de maneiras muito diferentes.
Nestes casos, as partículas quânticas podem permanecer em superposição enquanto se movem através da gravidade normal e do espaço-tempo. Sob essa descrição, não há necessidade de qualquer comportamento quântico real da gravidade.
“Muitos pesquisadores propuseram experimentos que poderiam potencialmente revelar a natureza quântica da gravidade”, explica Joshua Fu, professor associado do Instituto de Estudos Avançados da Universidade de Kyushu e autor principal do estudo. “O que descobrimos é que alguns destes cenários podem ser vistos a partir de duas perspectivas igualmente válidas. Uma interpretação descreve a gravidade como estando numa superposição quântica, enquanto a outra interpretação descreve partículas quânticas movendo-se num campo gravitacional normal.”
A equipe chama essa ideia de “a relatividade da superposição do espaço-tempo”.
Uma maneira de imaginar isso é pensar em dois mapas representando a mesma paisagem usando projeções diferentes. Os mapas podem parecer diferentes, mas ambos descrevem o mesmo terreno subjacente. Da mesma forma, os pesquisadores descobriram que algumas situações que parecem envolver a gravidade quântica podem ser expressas usando a gravidade clássica e o espaço-tempo, desde que o movimento de cada partícula seja representado com o estado quântico apropriado.
Uma grande ambigüidade em experimentos de gravidade quântica
As descobertas não mostram que a gravidade é clássica e não descartam a gravidade quântica.
Em vez disso, realçam uma ambiguidade significativa na forma como as experiências concebidas para sondar as propriedades quânticas da gravidade podem ser interpretadas. Uma observação que a gravidade quântica parece revelar é que, em alguns casos, a gravidade pode ser explicada sem sequer a necessidade de se comportar mecanicamente quântica.
“O nosso trabalho não nos diz que tais experiências refutam a gravidade quântica”, diz Magdalena Zych, da Universidade de Estocolmo e coautora do artigo. “Em vez disso, ajuda-nos a identificar quais assinaturas experimentais realmente exigiriam uma descrição quântica da gravidade e quais poderiam surgir de uma física mais familiar. Esta distinção é importante para projetar experimentos futuros.”
Descoberta de uma verdadeira assinatura de gravidade quântica
Embora este trabalho trate de algumas das questões mais fundamentais da física, a pesquisa sobre as leis fundamentais da natureza tem produzido historicamente grandes benefícios práticos.
A navegação GPS, os lasers e a eletrônica moderna surgiram de avanços enraizados na física quântica teórica e na teoria da gravidade de Einstein.
O impacto mais imediato da nova estrutura é que ela dá aos físicos um roteiro claro para experimentos futuros. Ao mostrar quais observações podem realmente distinguir a descrição clássica da gravidade da quântica, a pesquisa ajuda a restringir a busca por evidências sólidas da gravidade quântica.
Fu concluiu: “Compreender como a gravidade e a mecânica quântica se encaixam é um dos maiores desafios da física”. “Antes de podermos testar a natureza quântica da gravidade, primeiro precisamos de saber que provas provarão que a encontrámos. O nosso trabalho ajuda a esclarecer essa questão.”
