Gravidade pode emergir da entropia, e não da curvatura do espaço-tempo

Redação do Site Inovação Tecnológica - 26/03/2025

Representação diagramática da ação entrópica da gravidade quântica. A ação para a gravidade é dada pela entropia quântica relativa entre a métrica da variedade e a métrica induzida pelo campo de matéria e a geometria.
[Imagem: Ginestra Bianconi]

Entropia quântica

Você deve ter lido um bocado nos últimos tempos sobre as relações entre a mecânica quântica e a termodinâmica, ou a entropia.

Apenas para relembrar, essa área florescente de pesquisas envolveu a demonstração de que a entropia pode de fato existir no mundo quântico e que a mecânica quântica e a termodinâmica podem ser verdadeiras simultaneamente. E, se tudo parecer muito complicado, basta ajustar o conceito de entropia para que a física quântica a aceite.

Mas a professora Ginestra Bianconi, da Universidade Rainha Maria de Londres acredita que a entropia pode ser útil para muito mais do que se imaginava.

Mais especificamente, Bianconi propõe que a força de gravidade não emerge de deformações do espaço-tempo, como proposto por Einstein, mas sim da própria entropia. Em sua nova abordagem, a gravidade é derivada diretamente da entropia quântica relativa.

Além de revolucionar tudo o que pensamos sobre a gravidade no último século, a proposta preenche a lacuna entre duas das teorias mais fundamentais da física, até agora incompatíveis: a mecânica quântica e a relatividade geral.

Outro estudo demonstrou recentemente uma ligação entre a teoria da informação quântica e a física de partículas.
[Imagem: Kavli IPMU]

Gravidade emergindo da entropia

Os físicos vêm tentando há décadas reconciliar os princípios da mecânica quântica com os da relatividade geral: A mecânica quântica governa o comportamento das partículas nas menores escalas, a relatividade geral descreve a força da gravidade em escalas cósmicas. Mas unificar essas duas estruturas, o que equivale a encontrar uma teoria quântica da gravidade, continua como uma das mais importantes tarefas não resolvidas da ciência moderna.

A proposta inovadora de Bianconi consiste em tratar a métrica do espaço-tempo, um conceito-chave na relatividade geral, como um operador quântico, uma função que atua sobre o espaço de estados físicos de um sistema. As grandezas físicas observáveis são representadas por esses operadores e, quando um operador atua sobre um estado quântico, ele pode alterá-lo ou fornecer informações sobre o valor daquela grandeza física.

Especificamente, a abordagem usa a entropia relativa quântica, um conceito da teoria da informação quântica, para descrever a interação entre a geometria do espaço-tempo e a matéria.

Ao introduzir uma nova ação entrópica, que quantifica a diferença entre a métrica do espaço-tempo e a métrica induzida por campos de matéria, a derivação matemática chega em equações de Einstein modificadas que, no regime de baixo acoplamento, ou seja, baixas energias e pequena curvatura, reduzem-se às equações clássicas da relatividade geral.

No entanto, a nova teoria vai além, prevendo o surgimento de uma pequena constante cosmológica positiva, um valor que se alinha com observações experimentais da aceleração da expansão do Universo de modo muito mais preciso do que quando se usam as teorias já conhecidas.

Uma redefinição de energia também promete aproximar Einstein da mecânica quântica.
[Imagem: Kyoto University]

Campo G

Uma característica fundamental da teoria é a introdução do "campo G", um campo auxiliar que funciona como um multiplicador de Lagrange, uma variável introduzida para encontrar os pontos máximos ou mínimos de uma função que depende de uma ou mais variáveis.

O campo G não só desempenha um papel crucial nas equações modificadas da gravidade, mas também abre as portas para novas interpretações da matéria escura, uma substância hipotética usada para explicar uma porção significativa da massa do Universo, mas que nunca foi observada.

"Este trabalho propõe que a gravidade quântica tem uma origem entrópica e sugere que o campo G pode ser um candidato para a matéria escura," explica a professora Bianconi. "Além disso, a constante cosmológica emergente prevista pelo nosso modelo pode ajudar a resolver a discrepância entre as previsões teóricas e as observações experimentais da expansão do Universo."

É um trabalho ainda incipiente, que necessitará de desenvolvimento, mas tratar o espaço-tempo como uma entidade quântica e usar a entropia como métrica do espaço-tempo pode abrir caminho para uma compreensão mais profunda da força da gravidade, da mecânica quântica e da própria cosmologia como um todo.

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