Se o espao for formado por tomos de espao, mecnica quntica e relatividade conversam

Espao

Redação do Site Inovação Tecnológica – 04/04/2025

Em busca da unificao

Fsicos alemes abriram uma nova rota que pode unificar os campos da mecnica quntica e da teoria da relatividade, que insistem em no entrar em acordo, apesar de quase um sculo de tentativas de apaziguamento.

Existem quatro foras fundamentais no Universo: gravidade, eletromagnetismo, a interao fraca e a interao forte – a relatividade geral descreve a gravidade, enquanto a teoria quntica lida com as outras trs foras. Normalmente isso no tem consequncias importantes, j que a relatividade geral usada principalmente para calcular o comportamento de grandes massas no Universo, enquanto a teoria quntica foca no mundo das coisas muito pequenas, nas dimenses dos tomos.

Contudo, para entender melhor fenmenos-chave, como o Big Bang ou os buracos negros, necessrio um modelo que una os dois conceitos, elaborando uma teoria quntica da gravidade, ou uma gravidade quntica.

Por exemplo, a relatividade geral afirma que toda a matria em um buraco negro unida em um ponto minsculo, chamado singularidade. Ora, para entender como as foras gravitacionais gigantescas do buraco negro agem no microcosmo, onde so as leis da mecnica quntica que se aplicam, necessrio acomodar as duas teorias em um arcabouo unificado.

E h mais: A teoria da gravidade quntica pode virar de cabea para baixo nosso conceito de causalidade, j que os conceitos de causa e efeito parecem no se aplicar aos buracos negros.

“O tempo determina a relao entre causa e efeito – as causas esto no passado, os efeitos no futuro,” explica o professor Wolfgang Wieland, da Universidade Erlangen-Nurnberg. “Essa suposio est firmemente inserida na mecnica quntica. No entanto, a relatividade geral prev que grandes massas curvam o espao-tempo devido sua gravidade. Em um buraco negro, esse efeito to extremo que os termos ‘antes’ e ‘depois’ no tm significado. Isso tem enormes implicaes para nossa compreenso de causa e efeito.”

Quantum de gravidade e quantum de espao

Um dos maiores problemas para a unificao das duas teorias justamente a quantizao, a ideia central na mecnica quntica de que tudo pode ser desmembrado at os quanta, os menores pacotes possveis de qualquer coisa.

Os chamados observveis, como a energia ou o momento angular, s podem assumir valores discretos, e no valores contnuos. Isso tambm afeta as interaes eletromagnticas e as foras fraca e forte, que tambm so quantizadas. Mas ningum conseguiu quantizar a gravidade.

O professor Wieland acredita ter encontrado um atalho: Quantizar o espao e o tempo. Quando dividimos o espao-tempo em pequenas unidades discretas, a gravidade, que um fenmeno macroscpico, pode ser explicada pela teoria quntica.

“Nossa abordagem que o espao e o tempo em si no so contnuos, mas consistem em pequenas pores,” explica ele. “Se essa tese estiver correta, ento a gravidade tambm pode ser descrita com a ajuda da teoria quntica.”

No a primeira vez que os fsicos propem a existncia de “tomos de espao”, ou seja, de que o espao seria formado por unidades fundamentais. Esse ponto de vista est includo em outra proposta controversa, a de que o Universo um Holograma. Mas ainda estamos aqum das condies tcnicas para comprovar a ideia.

O espao-tempo granular?

Em um espao-tempo quantizado, uma bola no descreve uma trajetria suave e contnua do p do jogador at a rede – ela d passos definidos de uma posio outra. Da mesma forma, no h relgio que divida a passagem do tempo em intervalos arbitrariamente finos – ele progride em passos, como o ponteiro dos segundos de um relgio analgico. No mundo macroscpico, esses passos no so percebidos porque so extremamente pequenos.

Um elemento importante nesse conceito de espao-tempo quantizado consiste nas unidades de Planck – cunhadas por Max Planck (1858-1947) -, um sistema fundamental de unidades que podem ser construdas unicamente a partir da velocidade da luz e das constantes naturais da gravidade e da teoria quntica.

Outra constante, a potncia de Planck, pode ser calculada a partir das unidades de Planck. Wieland est focando sua nova proposta na potncia de Planck. “Nossa compreenso atual que a potncia – isto , a quantidade de energia que pode ser emitida por unidade de tempo – pode se tornar infinitamente grande em nosso Universo,” explica ele. “Isso faz com que algumas das equaes parciais em uma descrio terica quntica da gravidade se tornem insolveis.”

O que ele conseguiu demonstrar agora que, em um espao-tempo quantizado, h um limite superior para a potncia. Esse limite, que, como a velocidade da luz, no pode ser excedido, justamente a potncia de Planck – ela inimaginavelmente grande, com 10⁵³ watts, mas ainda assim limitada.

“Se minhas consideraes tericas se comprovarem verdadeiras, ser possvel decompor o poder das ondas gravitacionais nos menores quanta,” explicou Wieland. Esse o problema que ele abordar a seguir, juntamente com a questo de como a gravidade influencia a estrutura causal do mundo.

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