O que torna a mecânica quântica e a relatividade geral incompatíveis - e por que cientistas não conseguem resolver contradição:betano multiplas

“Isso poderia ser visto como uma espéciebetano multiplasmaldição, as duas teorias mais belas e poderosas que temos sobre o universo são inconsistentes entre si”, diz Alberto Casas, professor e pesquisador do Conselho Superiorbetano multiplasPesquisa Científica da Espanha, à BBC Mundo, o serviçobetano multiplasespanhol da BBC.

Mas o que as torna inconciliáveis ​​e por que é importante resolver esta contradição entre a relatividade geral e a mecânica quântica?

“Neste momento esta é a questão mais fundamental da física teórica, sabemos quebetano multiplasalgum momento elas terão que se unir”, indica a física teórica Irene Valenzuela.

E como afirma Rovelli: “O mundo não pode dependerbetano multiplasduas teorias incompatíveis”.

A relatividade geral

“A relatividade geral, que explica precisamente a força da gravidade, transformou radicalmente a nossa compreensão do espaço e do tempo”, escreveu Rovelli.

Enquanto a mecânica quântica, que descreve o mundo microscópico, “transformou profundamente o nosso conhecimento da matéria”.

Ambas são teorias “excelentes” e que tiveram "grande sucesso", diz Casas.

“Eles são capazesbetano multiplasprever milhares, até milhões,betano multiplasfenômenos com extraordinária precisão e até agora nenhuma falha foi encontrada.”

Masbetano multiplasseu “caráter muito diferente” reside a incompatibilidade.

Por um lado, a teoria da relatividade geral é uma teoria clássica, o que significa que as quantidades, ou as magnitudes, que ela contempla têm valores bem definidos.

Nele, a gravidade é uma propriedade geométrica do espaço-tempo.

Lembremos, como explica Rovellibetano multiplasseu livro, que com a relatividade especial, Einstein estabeleceu que o espaço e o tempo “estão intimamente ligados entre si e formam um todo inseparável, o espaço-tempo, o que significa que se o espaço é sensível à presença das massas e modificado por elas, o tempo também o é.”

Segundo Casas, a ideia fundamental da relatividade geral é que a matéria e a energia determinam a geometria do espaço-tempo, ou seja, se você tem uma massa grande, "que curva o espaço-tempo, muda a geometria do espaço e do tempo."

“A força da gravidade é simplesmente que, quando os objetos passam pertobetano multiplasuma grande massa, eles percebem um espaço-tempo curvo e isso faz com que suas trajetórias se curvem.”

E a mecânica quântica?

A mecânica quântica estuda partículas e sistemas atômicos e subatômicos.

Se na teoria da relatividade geral os valores estão bem definidos, na mecânica quântica acontece algo único.

“É uma teoria muito estranhabetano multiplasque as grandezas físicas podem não ter valores bem definidos”, explica Casas.

E as leisbetano multiplasprobabilidade governam o mundobetano multiplasuma escala microscópica.

Por exemplo, uma partícula pode estarbetano multiplasuma superposiçãobetano multiplasestados:betano multiplasum estado ela estábetano multiplasuma posição ebetano multiplasoutro estado estábetano multiplasuma posição diferente, ou seja,betano multiplasalguma forma a partícula estábetano multiplasduas posições ao mesmo tempo.

“Embora possa parecer incrível, é verdade”, diz Casas.

E aí vem a incompatibilidade: “uma partícula que estábetano multiplasduas posições ao mesmo tempo, deforma o espaço-tempo ao seu redorbetano multiplasduas posições diferentes ao mesmo tempo”.

Ou seja, leva a uma superposiçãobetano multiplasgeometrias espaço-temporais.

“A geometria, então, não estaria mais bem definida, porque as partículas que a produzem estãobetano multiplasum estado indefinido,betano multiplasum estado que não tem posição específica.”

E isso contradiz a teoria da relatividade, que é formuladabetano multiplastal forma que o espaço-tempo “é algo perfeitamente definido, não estábetano multiplassuperposiçõesbetano multiplasestados”.

A gravidade inevitável

No cerne da inconsistência entre as duas teorias está a dificuldadebetano multiplasunir a gravidade e a mecânica quântica.

Mikael Rodríguez Chala, autor e pesquisadorbetano multiplasFísicabetano multiplasPartículas da Universidadebetano multiplasGranada, lembra que a base da mecânica quântica é o princípio da incerteza.

Isso significa que “quanto menor o sistema físico que você deseja explorar, mais energia será necessária para fazê-lo”.

“Na presença da gravidade, isso é um problema, já que muita energiabetano multiplasuma região muito pequena do espaço gera um buraco negro”, diz Rodríguez Chala à BBC Mundo.

“Isso parece indicar que,betano multiplasenergias muito, muito altas, a gravidade e, portanto, os conceitosbetano multiplasespaço e tempo (a gravidade segundo Einstein é a deformação do espaço-tempo) são muito diferentes do que acreditamos hoje”.

Abordar a relatividadebetano multiplasforma clássica e as partículasbetano multiplasforma quântica não é uma opção, explica Casas, “porque as partículas podem estarbetano multiplassuperposiçõesbetano multiplasestados e como as partículas determinam a geometria do espaço-tempo, elas também nos darão superposiçõesbetano multiplasgeometrias”.

Assim, o problema continua.

E, como destaca Valenzuela, “a gravidade interage com tudo, não há como escapar dela”.

“Qualquer coisa que tenha energia interage com a gravidade”, diz ele à BBC Mundo.

Teoria quânticabetano multiplascampos

Durante décadas, os físicos tentaram conciliar a gravidade com a mecânica quântica.

Na décadabetano multiplas1950, foi possível combinar a mecânica quântica com a teoria da relatividade especial, através do que é conhecido como teoria quânticabetano multiplascampos.

Neste referencial teórico são descritas as forças da natureza responsáveis ​​pelos fenômenos que ocorrem no universo: eletromagnética, nuclear forte, nuclear fraca. Mas há uma grande exceção: a gravidade.

O prolema surge quando os cientistas tentam unificar a gravidade com a mecânica quântica.

“Absurdo”

O professor Casas explica que “se a teoria da relatividade geral fosse tratada como uma teoria quânticabetano multiplascampos, portanto,betano multiplasforma ingênua, daria resultados infinitos. Por exemplo, você calcula uma probabilidade e sai um resultado infinito, o que é um absurdo.”

“São teorias matematicamente inconsistentes.”

Não esqueçamos que o que a mecânica quântica faz é calcular probabilidadesbetano multiplasfenômenos.

Por exemplo, destaca Rodríguez, a mecânica quântica nos diz que quando duas partículas colidem, “muitas coisas diferentes podem acontecer e cada uma delas ocorre com probabilidades diferentes, é um processo eminentemente aleatório”.

Segundo Casas, a criaçãobetano multiplasuma teoria quântica da gravidade implicaria que, assim como as partículas podem estarbetano multiplassuperposiçõesbetano multiplasestados, a geometria do espaço-tempo também poderia estarbetano multiplassuperposiçõesbetano multiplasestados, tendo valores indefinidos.

Mas o especialista lembra novamente que na relatividade geral as magnitudes físicas têm valores muito bem determinados.

“A teoria da relatividadebetano multiplasEinstein é muito rígida. Diz: ‘você tem esta matéria, esta curvatura, este espaço-tempo’. Mas a mecânica quântica diz: ‘não, a matéria poderia estarbetano multiplasuma superposiçãobetano multiplasestados’”.

Na relatividade geral, se tivermos uma massa como a da Terra, a Terra curva o espaço-tempobetano multiplastorno dela e curva-obetano multiplasuma forma muito definida e muito concreta.

Por outro lado - continua o acadêmico -betano multiplasuma teoria quântica, o estado da Terra pode estarbetano multiplasuma superposiçãobetano multiplasposições, energias ou outras magnitudes físicas e isso significa que a própria geometria do espaço-tempo não tem um bom valor definido.

Einstein não conseguiu

Mas o que acontece se tentarmos quantizar a gravidade, isto é, torná-la consistente com a mecânica quântica?

Surge um problema: o próprio espaço-tempo é uma quantidade dinâmica que também precisa ser quantizada, “não serve como uma estrutura estável para fazer cálculos porque quando queremos calcular uma colisãobetano multiplaspartículas, essas partículas modificam o espaço-tempo”, diz Casas.

“É como se quiséssemos construir um prédio sobre areia movediça”: assim que começamos, tudo começa a se mover, ou seja, ocorrem inconsistências lógicas que dificultam extremamente a continuidade.

“Por isso se acredita que para quantizar a gravidade é necessário dar um salto conceitual, reinterpretarbetano multiplasalguma forma o espaço-tempo para criar uma teoria consistente.”

Na verdade, Einstein não tentou quantizar a gravidade.

“Einstein queria fazer uma teoria que unificasse a gravidade com as outras forças, ele a chamoubetano multiplasteoria do campo unificado, mas abordou-abetano multiplasum pontobetano multiplasvista clássico.”

“E ele não teve sucesso, foi uma das poucas batalhas científicas que ele não venceu.”

No horizonte

No horizonte dos físicos existe uma possibilidade: um dia chegaremos a uma teoria única que explique todos os fenômenos da natureza, um modelo que unifique as interações físicas fundamentais. Esse ideal tem um nome: a teoriabetano multiplastudo.

Existem diversas teorias ou famíliasbetano multiplasteorias que buscam conciliar a relatividade geral e a mecânica quântica.

Rovelli, por exemplo, foi um dos fundadores da teoria da gravidade quânticabetano multiplasloop ou teoria do loop, que postula uma estrutura fina e granular do espaço. É como uma redebetano multiplasloops quantizadosbetano multiplascampos gravitacionais.

Há também a teoria das cordas, que se baseia no pressupostobetano multiplasque as partículas subatômicas são pequenas cordas que podem se esticar e ter diferentes estadosbetano multiplasvibração, o que lhes permite ter propriedades diferentes.

Para muitos especialistas, este é um forte candidato para alcançar a tão esperada reconciliação.

“Seu grande problema é que não foi possível fazer uma previsão mensurável com os dispositivos que temos”, diz Casas, referindo-se aos imensos e “inimagináveis” aceleradoresbetano multiplaspartículas que seriam necessários.

Valenzuela, que trabalha no CERN (Organização Europeia para a Investigação Nuclear, na Suíça), é um dos pesquisadores dessa teoria.

“50 anos para entender a gravidade não é nada”, diz ele com um sorriso, e nos dá como exemplo o bósonbetano multiplasHiggs, que, sendo um fenômeno mais simples comparado à gravidade quântica, foi descoberto com o Grande Colisorbetano multiplasHádrons 50 anos depois do que era previsto.

“Não temos experimentos diretos que detectem o efeito da gravidade quântica, pois precisamos melhorar a tecnologiabetano multiplasmuito mais ordensbetano multiplasgrandeza do que o necessário com o Higgs”, indica o físico.

Mas por não ter experimentos diretos que ofereçam informações, Valenzuela e seus colegas buscam previsões indiretas: “é preciso fazer isso teoricamente, procurar que sejam matematicamente consistentes e ver quais implicações podem ter”.

“Exemplo supremo”

Embora para Casas a inconsistência entre a relatividade geral e a física quântica possa ser vista “como uma espéciebetano multiplasmaldição”, na verdade, é “uma grande motivação”.

“E uma vantagem porque essa inconsistência nos diz que há muitas coisas que ainda não entendemos e, ao mesmo tempo, nos dá pistas sobre como resolvê-las. Isso aconteceu muitas vezes na história.”

“Possivelmente, quando a gravidade for unificada com a mecânica quântica, será o exemplo supremo disso.”

Entretanto, alcançar esta reconciliação continuará a ser o problema central da física teórica.

“Se quisermos continuar entendendo como funciona o universo, o que acontece dentro dos buracos negros, descobrir o que aconteceu no início do universo, precisamos da gravidade quântica”, diz Valenzuela.

Para resolver algumas das questões fundamentais da Física, essas duas estrelas brilhantes devem ser reunidas no mesmo palco, mesmo que à primeira vista pareçam incompatíveis.