Espaço-tempo não é o mesmo para todos

Com informações da Universidade de Varsóvia - 31/07/2013

Neste modelo, o espaço-tempo clássico - esse em que vivemos - é criado pela interação da matéria com a gravidade quântica, de forma semelhante a que a estrutura atômica do gelo se forma a partir da água.
[Imagem: Faculty of Physics/University of Warsaw]

Fiat Quantum

Antes do Big Bang, o espaço-tempo como nós o conhecemos não existia.

Então, como ele nasceu?

O processo de criação do espaço-tempo que conhecemos a partir de um estado anterior, dominado pela gravidade quântica, tem sido estudado há anos por teóricos do mundo todo.

Agora, novas análises feitas por físicos da Universidade de Varsóvia, na Polônia, sugerem uma conclusão surpreendente: nem todas as partículas elementares estão sujeitas ao mesmo espaço-tempo.

Vários bilhões de anos atrás, imediatamente após o Big Bang, o Universo era tão denso e tão quente que as partículas elementares sofriam a ação da gravidade muito fortemente.

Por décadas, os físicos de todo o mundo têm tentado descobrir as leis da gravidade quântica que descrevem esta fase da evolução do Universo.

O grupo do professor Jerzy Lewandowski propôs seu próprio modelo do universo quântico. E estudos recentes de suas propriedades surpreenderam os pesquisadores.

As análises feitas por Lewandowski e Andrea Dapor mostram que as diferentes partículas elementares "experienciam" a existência de espaços-tempos diferentes.

Gravidade Quântica

Uma das tentativas para descrever a gravidade quântica é chamada de Teoria da Gravidade Quântica em Circuito Fechado, ou modelo LQG, do inglês Loop Quantum Gravity.

Esta teoria assume que o espaço-tempo é estruturalmente bastante semelhante a um tecido, sendo constituído por um grande número de pequenas fibras emaranhadas em anéis. Uma área de um centímetro quadrado pode conter um milhão de trilhões de trilhões de trilhões de trilhões de trilhões (10⁶⁶) dessas fibras.

Foi o próprio grupo do prof. Lewandowski que desenvolveu um modelo matemático consistente da LQG que combina a mecânica quântica com a relatividade geral.

O modelo pressupõe a existência de dois campos de interação.

Um deles é um campo gravitacional, que pode ser identificado com um espaço, uma vez que, de acordo com a Teoria Geral da Relatividade, a gravidade curva o espaço-tempo, e este espaço-tempo curvo dá origem a efeitos gravitacionais.

O segundo campo no modelo é um campo escalar que atribui um número a cada ponto do espaço. Este campo é interpretado como o elemento mais simples da matéria.

A imagem da realidade nesse modelo é quântica, tendo características muito diferentes das do mundo que experimentamos todos os dias.

Há muito tempos os físicos tentam desvendar o que aconteceu na noite anterior ao Big Bang.
[Imagem: Martin Bojowald]

Do espaço-tempo quântico ao espaço-tempo clássico

Faltava então alinhavar o período quântico com o período clássico que vivemos.

"Nesta situação, parecia natural perguntar: Como é que o espaço-tempo que todos nós conhecemos emerge dos estados primários da gravidade quântica? E, como o espaço-tempo normal nasceria como resultado da interação entre a matéria e a gravidade quântica, poderíamos estar certos de que cada tipo de matéria definitivamente interage com um espaço-tempo que tem as mesmas propriedades?" disse o professor Lewandowski.

Para encontrar respostas para estas perguntas, a equipe primeiro derivou padrões de interação entre a matéria e os efeitos da gravidade quântica para os dois casos matematicamente mais simples: para partículas de massa zero em repouso e para partículas simples (escalares) de massa não-zero em repouso.

No Modelo Padrão, que descreve as partículas elementares e suas interações, as partículas sem massa relevantes seriam os fótons, e partículas escalares com massa seriam o famoso bóson de Higgs, responsável pela massa das outras partículas: quarks e elétrons, múons, taus e seus neutrinos associados.

Depois de derivar as equações que representam o comportamento das partículas de acordo com as leis do modelo da gravidade quântica, os físicos começaram a verificar se equações similares poderiam ser obtidas com o uso do espaço-tempo normal com diferentes simetrias.

Outra discussão relacionada a esta é se o próprio tempo é real ou é uma ilusão.
[Imagem: FQXi]

Isotropia

A tarefa se mostrou possível para as partículas sem massa. O procurado espaço-tempo era isotrópico, ou seja, tinha as mesmas propriedades em todas as direções.

"De acordo com o modelo simplificado que pesquisamos, independentemente de o fóton ter momento maior ou menor, mais ou menos energia, o espaço-tempo aparece para ele como sendo o mesmo em todas as direções," explica o Prof Lewandowski.

Para as partículas com massa a situação foi diferente, com a existência de massa impondo uma condição adicional específica sobre a teoria.

Os físicos demonstraram que um espaço-tempo clássico que satisfaça simultaneamente a condição de massa e tenha as mesmas propriedades em todas as direções não pode ser calculado.

O espaço-tempo apropriado poderia ser encontrado apenas entre espaços-tempos anisotrópicos - a direção preferencial desses espaços-tempos seria a direção do movimento da partícula.

"Partículas com massa não só experienciam diferentes espaços-tempos do que os fótons, mas cada uma vê a sua própria versão particular de espaço-tempo, dependendo da direção em que ela se move. Esta descoberta realmente nos pegou de surpresa," conta Andrea Dapor.

Assim, o espaço-tempo clássico emergiria da interação entre a matéria e a gravidade quântica de forma semelhante a que a estrutura atômica do gelo se forma a partir do congelamento da água líquida e seus átomos desordenados.

Embora seja difícil comprovar esta nova teoria, dados recentes desafiam a "física pós-Einstein".
[Imagem: ESA/SPI Team/ECF]

Comprovação difícil

Será que isto significa que o Universo das partículas com massa não é isotrópico? Tal afirmação seria de enorme importância experimental e observacional. No entanto, a resposta é não, já que o Universo não parece ter uma direção preferencial.

Como observadores que estudam o comportamento das partículas elementares, nós somos clássicos, e não quânticos, e, em certo sentido, estamos "fora" do mundo das partículas.

Assim, não seria relevante que cada partícula "experiencie" seu próprio espaço-tempo - ainda que isto seja real.

Além disso, independentemente da direção do seu movimento, todas as partículas observadas em laboratório têm exatamente as mesmas características.

Por esta razão, confirmar experimentalmente as previsões teóricas da equipe polonesa não será uma tarefa trivial.

Foi esta a conclusão a que chegou a comunidade física que discutiu esses resultados durante a 20ª Conferência Internacional sobre Relatividade Geral e Gravitação, que terminou no último sábado.

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