Eventos acima da velocidade da luz unificam Física Quântica e Relatividade

Com informações da Universidade de Varsóvia - 03/04/2020

A evolução das probabilidades e os fenômenos "impossíveis" da Mecânica Quântica podem ter suas origens na Teoria Especial da Relatividade - pelo menos tudo fica menos estranho.
[Imagem: FUW]

Unificação da Mecânica Quântica com a Teoria da Relatividade

Por quase cem anos, a Mecânica Quântica aguarda uma teoria mais profunda para explicar a natureza de seus fenômenos misteriosos. E, sonho de todos os físicos, talvez uma teoria que a unifique com a Teoria da Relatividade.

Se o raciocínio apresentado agora pelos físicos Andrzej Dragan (Universidade de Varsóvia) e Artur Ekert (Universidade de Oxford) resistir ao escrutínio de seus colegas de todo o mundo, a história pode estar muito bem prestes a pregar uma peça cruel em todos esses físicos, de todas as gerações desde Einstein.

A "teoria desconhecida" procurada há décadas, explicando a singularidade da Mecânica Quântica - com o perdão do trocadilho -, seria derivada da Teoria da Relatividade, e não o contrário.

Hoje, a maioria dos físicos aceita que a descrição da realidade feita pela Mecânica Quântica seria mais fundamental, e que a Teoria da Relatividade teria que ser ajustada a ela.

Dragan e Ekert propõem que não, que as características mais importantes do mundo quântico podem resultar da Teoria Especial da Relatividade, que até agora parecia ter pouco a ver com a Mecânica Quântica.

A velocidade da luz ainda é um campo intrigante de pesquisas: pode ser possível superar a velocidade da luz e a velocidade da luz cai a zero em "pontos excepcionais", por exemplo, sem contar que diminuir a velocidade da luz já é um fato corriqueiro.
[Imagem: ICFO]

Velocidade da luz

Desde o início, a Mecânica Quântica surpreende com sua peculiaridade, tão difícil de entender e conciliar com o que estamos acostumados no mundo cotidiano: Por que uma partícula passa por duas fendas simultaneamente? E por que uma partícula "tunela", atravessando uma barreira sólida, quando nós sempre damos dolorosamente com a cara na parede?

E o que realmente incomoda os físicos desde a elaboração da Mecânica Quântica e da Teoria da Relatividade é a incompatibilidade desses três conceitos - três, uma vez que existem duas teorias da relatividade: a especial e a geral.

Os dois físicos desenvolveram um modelo no qual eles provam matematicamente que as características da Mecânica Quântica que determinam sua singularidade e seu exotismo não-intuitivo - teoria que é aceita, além do mais, com base em axiomas, que muitos físicos preferem chamar de "fé" - podem ser explicadas dentro da estrutura da Teoria Especial da Relatividade, dispensando qualquer fé em pressupostos.

Einstein baseou a Teoria Especial da Relatividade em dois postulados. O primeiro é conhecido como o princípio da relatividade galileano (que, é importante notar, é um caso especial do princípio copernicano). Aquele princípio afirma que a física é a mesma em qualquer sistema inercial, isto é, seja em repouso ou em movimento retilíneo uniforme.

O segundo postulado, que Einstein considerava crucial e que foi formulado com base no famoso experimento Michelson-Morley - aquele que fez com que os físicos deixassem o éter de lado - impôs a exigência de uma velocidade constante da luz em todos os sistemas de referência.

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Vários experimentos já questionaram a sequência de causa e efeito no reino da física quântica.
[Imagem: Universidade de Viena]

Causas sem efeitos e efeitos sem causas

A Teoria Especial da Relatividade é uma estrutura coerente que permite três tipos de soluções matematicamente corretas: um mundo de partículas se movendo a velocidades subluminais (abaixo da velocidade da luz), um mundo de partículas se movendo à velocidade da luz e um mundo de partículas se movendo a velocidades superluminais (acima da velocidade da luz).

Esta terceira opção sempre foi rejeitada porque, pela própria teoria, ela não teria nada a ver com a realidade, dado o pressuposto da velocidade máxima permitida no Universo, a da luz - exatos 299.792.458 metros por segundo.

"Nós nos colocamos a seguinte questão: O que acontece - por enquanto, sem entrar na fisicalidade ou não fisicalidade das soluções - se levarmos a sério não uma parte da Teoria Especial da Relatividade, mas toda ela, incluindo o sistema superluminal? Esperávamos paradoxos de causa-efeito. Em vez disso, o que vimos foram exatamente aqueles efeitos que formam o núcleo mais profundo da Mecânica Quântica," escrevem Dragan e Ekert.

Inicialmente, os dois físicos consideraram um caso simplificado, como é comum nessa parte da ciência: Um espaço-tempo com todas as três famílias de soluções, mas consistindo em apenas uma dimensão espacial e uma dimensão temporal (1 + 1). Nesse modelo, uma partícula em repouso em um sistema de soluções parece mover-se superluminalmente no outro, o que significa que a própria superluminosidade é relativa nesse quadro ampliado.

Em um continuum espaço-temporal construído dessa maneira, eventos não-determinísticos ocorrem naturalmente. Se, em um sistema no ponto A, houver a geração de uma partícula superluminal, mesmo completamente previsível, emitida em direção ao ponto B, onde simplesmente não há informações sobre os motivos daquela emissão, então, do ponto de vista do observador no segundo sistema, eventos se desenrolam do ponto B ao ponto A, de forma que eles emergem de um evento completamente imprevisível. Acontece que efeitos análogos também aparecem no caso de emissões de partículas subluminais.

Os dois físicos também demonstraram que, quando se levam em conta soluções superluminais, o movimento de uma partícula em múltiplas trajetórias simultâneas surge naturalmente, e uma descrição do curso dos eventos exige que se introduza uma soma de amplitudes de probabilidade combinadas que indicam a existência de superposição, um fenômeno até agora associado apenas à Mecânica Quântica, em que uma partícula pode estar em vários lugares ao mesmo tempo.

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Os físicos estão usando metamateriais para saltar entre dimensões na estrutura do espaço-tempo.
[Imagem: Cortesia Vytautas Navikas/EPFL]

Três dimensões do tempo

No caso do espaço-tempo com três dimensões espaciais e uma dimensão temporal (3 + 1), ou seja, correspondendo à nossa realidade física, a situação é mais complicada. O princípio da Relatividade em sua forma original não é preservado - os sistemas subluminal e superluminal são distinguíveis, sem superposição.

No entanto, os dois físicos notaram que, quando o princípio da Relatividade é modificado para uma forma definida como "A capacidade de descrever um evento de maneira local e determinística não deve depender da escolha de um sistema de referência inercial", então isso limita as soluções àquelas nas quais todas as conclusões da consideração no espaço-tempo (1 + 1) permanecem válidas.

"Nós notamos, aliás, a possibilidade de uma interpretação interessante do papel das dimensões individuais. No sistema que parece superluminal para o observador, algumas dimensões espaço-temporais parecem mudar seus papéis físicos. Somente uma dimensão da luz superluminal tem um caráter espacial - aquela ao longo do qual a partícula se move. As outras três dimensões parecem ser dimensões do tempo," contou Dragan.

Princípio quântico da Relatividade

Uma característica das dimensões espaciais é que uma partícula pode se mover em qualquer direção ou permanecer em repouso, enquanto em uma dimensão temporal ela sempre se propaga em uma direção - é o que chamamos de envelhecimento na linguagem cotidiana.

Assim, três dimensões temporais do sistema superluminal com uma dimensão espacial (1 + 3) significariam que as partículas envelheceriam inevitavelmente três vezes simultaneamente. O processo de envelhecimento de uma partícula em um sistema superluminal (1 + 3), observado a partir de um sistema subluminal (3 + 1), teria a aparência de uma partícula movendo-se como uma onda esférica, levando ao famoso princípio de Huygens (todos os pontos em uma frente de onda podem ser tratados eles próprios como uma fonte de uma nova onda esférica) e ao dualismo onda-partícula, cernes da teoria quântica.

E isso não é mais estranho do que a própria Mecânica Quântica, dizem os dois físicos.

"Toda a estranheza que aparece quando consideramos soluções relacionadas a um sistema que parece superluminal acaba por não ser mais estranha do que o que a teoria quântica geralmente aceita e experimentalmente verificada tem dito há muito tempo. Pelo contrário, levando em conta um sistema superluminal, é possível - ao menos teoricamente - derivar alguns dos postulados da Mecânica Quântica a partir da Teoria Especial da Relatividade, que não são geralmente aceitas como resultantes uma da outra, mas de outras razões mais fundamentais," concluiu o Dr. Dragan.

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