Dimensões evaporam-se na gravidade quântica

Com informações da New Scientist - 28/09/2010

A emergência das dimensões, segundo as teorias da gravidade quântica.
[Imagem: Ambjørn/Jurkiewicz/Loll]

Em escalas minúsculas, o espaço 3D com o qual estamos acostumados pode simplesmente deixar de existir, dando lugar a linhas simples, uma espécie de Flatland, o mundo plano vislumbrado na novela de Edwin Abbott, escrita em 1884.

Isso pelo menos é o que acredita Steven Carlip, da Universidade da Califórnia, em Davis, nos Estados Unidos.

Gravidade quântica

Trabalhando em teorias da gravidade quântica, que pretendem unificar a mecânica quântica com a Relatividade Geral, os cientistas perceberam recentemente algo curioso demais para ser uma mera coincidência.

Dentre as várias teorias diferentes que tentam explicar a gravidade quântica, todas preveem o mesmo estranho comportamento em pequenas escalas: campos e partículas começam a se comportar como se o espaço fosse unidimensional.

A observação pode ajudar a unificar a relatividade com a mecânica quântica. "Há algumas estranhas coincidências aqui que podem estar apontando para algo importante," disse Carlip à revista New Scientist.

Ele observou que as teorias produzem resultados semelhantes e trazem uma explicação de como as dimensões podem sumir. "A esperança é que nós possamos usar isso para descobrir o que realmente é a gravidade quântica," diz ele.

Desaparecimento das dimensões

O desaparecimento das dimensões veio à tona pela primeira vez em 2005, em simulações de computador realizadas por Renate Loll, da Universidade de Utrecht, na Holanda. Loll estuda uma teoria da gravidade quântica conhecida como triangulação dinâmica causal.

Ao analisar um parâmetro chamado dimensão espectral, que descreve como as partículas ou os campos afastam-se gradualmente de um determinado ponto - um processo semelhante ao da difusão - Loll descobriu que esse processo acontece rápido demais em escalas de 10^-35 metros, o equivalente ao "comprimento de Planck", a distância em que os efeitos da gravidade quântica se tornam significativos.

Isto pode ser explicado se as partículas estiverem efetivamente se movendo em apenas uma dimensão espacial - quanto menos dimensões estiverem disponíveis, menos direções haverão nas quais uma partícula pode se mover e menor será o tempo que ela vai levar para sair de sua posição original.

O que Carlip percebeu é que o mesmo acontece em várias outras teorias que tentam explicar a gravitação quântica e mesmo em uma teoria inovadora, lançada em 2009 por Petr Horava, da Universidade da Califórnia, em Berkeley, que altera radicalmente as regras da Relatividade Geral.

E se abordagens tão diversas "esbarram" em algo em comum, esse algo pode de fato ser importante, ou mesmo essencial - uma propriedade da gravidade quântica, por exemplo.

Espuma quântica

Mas como as dimensões podem simplesmente desaparecer?

Carlip sugere que isso pode ser explicado pelo conceito de "espuma quântica", proposto por John Wheeler na década de 1950.

Wheeler sugeriu que as flutuações quânticas alteram a geometria do espaço-tempo, tornando-o instável e heterogêneo em escalas muito pequenas. "Mas isso é uma imagem qualitativa. Ninguém tem qualquer noção de com o que isso realmente se parece," comentou Loll.

Carlip sugere que esta espuma quântica pode se comportar de forma semelhante ao espaço-tempo nas proximidades de uma singularidade, o objeto no centro de um buraco negro. Segundo a Relatividade Geral, a gravidade é tão forte perto de uma singularidade que o espaço-tempo se distorce.

Nestas condições, a luz é tão fortemente curvada que pode levar um tempo infinito para que ela viaje entre dois pontos próximos, o que significa que áreas vizinhas do espaço-tempo tornam-se efetivamente desligados umas das outras, podendo se expandir e contrair de forma independente.

Carlip sugere que essa mesma desconexão pode ocorrer entre as diferentes regiões do espaço quando se olha para as minúsculas escalas da gravidade quântica. Como o espaço poderá se contrair ou expandir mais rapidamente em um ponto do que em outro, as dimensões do espaço podem ficar desconectadas nas escalas de comprimento da gravitação quântica.

Dimensões adicionais

Como resultado, a distâncias e escalas temporais suficientemente curtas, o movimento de uma partícula é dominado por uma única dimensão, ainda que esta dimensão preferencial continue mudando de forma aleatória.

Ou seja, se você esperar o suficiente, ou olhar para escalas de distância maiores, o espaço torna-se efetivamente tridimensional.

É claro que o campo fica aberto para especulações sobre dimensões adicionais em distâncias suficientemente grandes.

Por enquanto, contudo, são só conjecturas, e ainda não há indícios experimentais de que uma espuma quântica de fato exista.

Mas o fato de que um mesmo efeito surja de teorias tão distintas pode ser um sinal de que é melhor nos acostumarmos com a ideia, ainda que não saibamos explicá-la - por enquanto.

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