Teorias práticas para um “espaço/tempo” quantificado

“Em todo caso…as investigações revelaram uma possibilidade surpreendente:                        o espaço-tempo, em si, pode ser gerado pela física quântica…especificamente,                  pelo desconcertante fenômeno do entrelaçamento quântico”. (Tom Siegfried)

super-foton

Um fóton (violeta) carrega um milhão de vezes mais energia do que o outro (amarelo). Ainda assim eles chegaram virtualmente juntos. [NASA/Sonoma University/Aurore Simonnet]

Alguns teóricos preveem atrasos nas viagens dos fótons de alta energia  –  pelo fato destes interagirem mais fortemente com a natureza ‘espumosa‘… proposta para o ‘espaçotempo’No entanto, dados do ‘telescópio Fermi’ para 2 fótons de uma mesma ‘GRB’…(explosão de raios gama), com grande variação de energia entre eles, não mostraram esse efeito…o que excluiu alguns modelos…de uma nova teoria  gravitacional… Para Peter Michelson … da Stanford University…“Seria ótimo substituir a visão da gravidade relativística de Einstein por algo relacionado às forças fundamentais. Contudo, há poucas formas de testar ideias.”

Muitas abordagens para novas teorias da gravidade, imaginam o espaçotempo como tendo uma ‘amorfa estrutura espumosa’, em escala física trilhões de vezes menor que um elétron. Alguns modelos previam que o ‘aspecto espumoso do espaçotempo faria com que raios gama de alta energia se movessem um pouco mais lentamente que fótons de baixa energia. Tal modelo – entretanto – contraria diretamente as previsões de Einstein, de que – todo o tipo de… – ‘radiação eletromagnética’… – viaja no vácuo – com a mesma velocidade … (c).

Confirmando Einstein!…                                                                                                            “As coisas se transformam umas nas outras segundo a necessidade; e reconhecem o          valor uma das outras segundo a ordem do tempo” (Anaximandro – 610 AC, 546 AC)

Em 10 de maio de 2009, o ‘Fermi‘…e outros telescópios orbitais detetaram uma pequena explosão de raios gama – denominada GRB 090510. Astrônomos atribuem este tipo de explosão à colisão de ‘estrelas de neutrons’. Observações locais confirmaram que o evento ocorreu em uma galáxia a 7,3 bilhões de anos-luz de distância. Dos muitos fótons de raios gama detetados pelo telescópio Fermi…durante os 2,1 segundos de explosão…2 possuíam energia com intensidades diferindo em mais de 1 milhão de vezes… — Ainda assim… após viajar 7,3 bilhões de anos … chegaram só com 0,9 segundos de diferença. Para Michelson:

“Este resultado descarta qualquer abordagem alternativa para uma teoria da gravidade que inclua variações na dependência de energia da luz…Com erro de 1 em 100 trilhões — esses 2 fótons viajaram na mesma velocidade.”

telesccópio-fermiEm seu 1º ano de operações, o telescópio espacial Fermi de Raios Gama da NASA mapeou o céu — com uma resolução sem precedentes. Ele capturou mais de 1.000 fontes discretas de ‘raios gama‘ … a mais alta forma de “energia eletromagnética”.  Digitalizando todo céu a cada 3 horas…o ‘GLAST‘ está fornecendo um olhar, cada vez mais detalhado e criativo do cosmos.

Mais de mil fontes de raios gama já foram descobertas, sendo quase metade delas, objetos detetados noutros comprimentos de onda…Segundo Jon Morse (Centro Goddard/NASA):

A equipe do Fermi fez ótimo trabalho ao justar o instrumento, e iniciar as observações. Agora, o telescópio Fermi está mais do que cumprindo sua promessa científica, de fazer descobertas de impacto sobre o universo extremo… — coroando todas estas realizações, com uma medida que nos forneceu evidências experimentais inéditas sobre a estrutura do espaçotempo coerentes à teoria de Einstein”. ##### ‘texto base’  ##### (Out/2009) *********************************************************************************   

Espaço e tempo… em 2 dimensões ortogonais                                                                “Tempo é o desenrolar… e, o espaço – o desenrolado” (Henri Bergson)

quarta-dimensc3a3o Petr Hořava, físico da Berkeley, defendeu uma nova “teoria quântica da gravidade”. — Segundo ele: ‘É tudo uma questão de tempo!‘. Ou melhor, a questão é a forma como o tempo se vincula ao espaço na gravitação de Einstein. – Este, que de repudiou — de modo incontestável… a noção newtoniana de…”tempo absoluto“, considerado por ele como uma outra dimensão, entrelaçada ao espaço, em um “tecido maleável à massa”. O problema é que o tempo na ‘mecânica quântica’  mantém sua indiferença newtoniana, criando o ‘palco‘ pelo qual a matéria se movimenta…mas, nunca sendo afetado por sua presença. Assim, estas 2 concepções de tempo não se cruzam.

A solução, diz Hořava é cortar os fios que ligam o tempo ao espaço em energias muito altas, tais como aquelas encontradas no início do universo…onde dominavam as regras     da gravidade quântica. E assim, ele argumenta…“Eu estou voltando à ideia original de Newton, em que tempo e espaço não são equivalentes…A relatividade geral, a baixas energias, emerge deste quadro subjacente…e o tecido do espaçotempo se reconstitui”.  Hořava compara esta situação … à forma como algumas substâncias exóticas mudam         de fase… – Por exemplo… a baixas temperaturas as propriedades do hélio líquido se transformam drasticamente — tornando-se em um…‘superfluido’…imune à fricções.        E assim, ele empregou essa…“matemática de mudanças de fase”…para construir        sua própria teoria da gravidadea qual – de fato, até agora, parece estar funcionando.

As infinidades, que afligem outras “teorias de gravidade quântica”, têm sido                    atenuadas, e a teoria produz grávitons mais ‘bem-comportados’, que melhor                    parecem corresponder a “simulações computacionais” da gravidade quântica.

Seguindo nessa direção, Jan Ambjörn do Instituto Niels Bohr/Copenhague, e equipe, têm usado ‘simulações‘ de “espaços-tempos“… construídos segundo unidades naturalmente ‘autorganizadas‘…para modelar a ‘gravidade quântica’. Desse modo já conseguiram criar um ‘espaçotempo’ de 4 dimensões estável para grandes distâncias. Porém, ao estenderem os resultados para curtas distâncias… – se depararam com um fato bizarro…seu universo, estranhamente – parece querer se reduzir … a apenas 2 dimensões. – Mas… como assim?

Hořava acredita que esta “queda dimensional” marca o ponto em que a relatividade geral surge em sua teoria da gravidade. Em seu modelo os elos que forçam tempo e espaço a se esticar em uníssono… – para altas energiase curtas distânciassão removidos.  Em artigo publicado na “Physical Review Letters”, ele explica que dentro deste estágio, o espaço se expandetão rapidamente quanto o tempoem apenas uma terça parte deste. Para Hořava  “As 3 dimensões espaciais simulam efetivamente… tão somente uma dimensão relativística normal, fazendo parecer que 2 dimensões desapareceram”.

“Gravidade Quântica” (2D)

Os primeiros resultados práticos… de modelagem dessa teoria da gravidade quântica — recentemente aplicada ao ‘movimento planetário‘…segundo o astrofísico… Francisco Lobo… — da Faculdade de Ciências, ‘Universidade de Lisboa’, foram positivos. – Outros  pesquisadores porém na tentativa de  explicar a singularidade Big-Bang,  tiveram ideias… muito mais ousadas.

Robert Brandenberger, cosmólogo da Universidade McGill/Canadá, em artigo publicado na ‘Physical Review’, assim justifica a teoria…“Se a nova gravidade for verdadeira, então  podemos dizer que o universo não explodiu, mas deu um salto…Um universo cheio de matéria se contrairá até um pequeno, mas finito tamanho… – para…em seguida – saltar outra vez… — resultando no… — ‘cosmos em expansão‘… — que podemos ver hoje”.

Seus cálculos mostram que ondulações produzidas pelo salto coincidem com deteções pelos satélites que medem a radiação cósmica de fundo. E, agora…ele está à procura         de vestígios que possam caracterizar o…salto – a partir do “big bang”. A nova teoria        da gravidade também pode criar a ‘ilusão’ da matéria escura, como diz o cosmólogo Shinji Mukohyama, da Universidade de Tóquio. Na ‘Physical Review‘… ele explica que,      em determinadas circunstâncias, o gráviton flutua, como se interagisse com a matéria normal – provocando uma interação gravitacional um pouco maior do que a esperada,      na ‘relatividade geral’…(podendo inclusive…fazer com que as galáxias pareçam conter mais matéria, do que realmente pode ser visto.) texto base 1 # texto base 2 (nov/2009)  ********************************************************************************

Dicas sobre gravidade quântica em nova proposta de espaço-tempo (dez/2009)  A nova estrutura para amostragem e reconstrução do espaço-tempo, poderia ser usada em abordagens da gravidade quântica, dando às estruturas discretas…representação contínua.

O “espaçotempo” – das 3 dimensões espaciais…e uma temporal… se trata de um conceito tão amplo e abstrato, que os próprios cientistas têm muita dificuldade em entendê-lo…e defini-lo…com variadas teorias oferecendo visões diferentes…e…contraditórias, sobre a sua ‘estrutura’…Enquanto a ‘relatividade geral’ o descreve como uma variedade contínua…as teorias de campo quântico exigem que seja constituído de… “pontos discretos”.

Unificar essas duas teorias, em uma…”teoria da gravidade quântica“…é atualmente, talvez o maior problema da física a ser resolvido. – Tentando melhor entendê-lo…Achim Kempf físico matemático da ‘Waterloo University’, Canadá…lançou a proposta de uma nova estrutura do “espaço-tempo”…na escala de Planck – que poderia, ao mesmo tempo, ser tanto discreto quanto contínuo – de modo a satisfazer ambas teorias. Sua proposta é inspirada na ‘teoria da informação‘, uma vez que a “informação” também pode ser, simultaneamente discreta e contínua. O estudo foi publicado na Physical Review Letters.

A matemática subjacente nessa estrutura é a “Teoria das probabilidades” – onde, amostras tomadas em um genérico conjunto discreto de pontos podem ser usadas para reconstruir o modelo da informação (ou espaçotempo) em qualquer lugar … até em um específico ponto. No caso do espaçotempo…esse corte seria naturalmente o limite inferior ultravioleta – que também pode ser considerado como um “princípio da incerteza” de comprimento mínimo, além do qual… – suas “propriedades estruturais” não podem ser precisamente conhecidas. Kempf desenvolve então uma…teoria de amostragem…passível de ser generalizada para aplicação no espaçotempo, onde uma densidade finita de pontos de amostra…obtidos ao longo da estrutura do espaçotempo…forneceria aos cientistas toda forma do espaçotempo, em larga escala…até o limite natural ultravioleta. – A seguir…ele prova que esta expressão estabelece uma equivalência entre suas representaçõesdiscretas e contínuas, apontando assim, para uma teoria na qual todos os “processos naturais” são vistos como possuindo o que é, na verdade — uma finita largura de banda universal…e dessa forma, considera que:

“É extremamente difícil obter dados experimentais que possam guiar a busca pela unificação da teoria quântica com a relatividade geral. — A proposta de que o espaçotempo, e a informação…são simultaneamente contínuos e discretos… serviria como um princípio orientador teórico”.

Kempf acrescenta que na pior das hipóteses a nova abordagem traz algumas ferramentas úteis para estudos em gravidade quântica, tais como resolver problemas discretos usando “métodos contínuos“. – E no futuro… planeja aplicar estes novos “modelos teóricos” para abordar antigas questões ainda em aberto; como o ‘paradoxo da perda de informação’ no ‘buraco negro’, e o “princípio holográfico”, na “teoria quântica de campo”. (texto original***********************************************************************************

Espaço discreto – em um mar de spin (mar/2011)                                                                “Embora totalmente remodelada – a Geometria continua sendo a janela                            para a compreensão do mundo.” (L. Mlodinow — ‘A janela de Euclides’) 

Normalmente… se considera que o espaço seja infinitamente divisível; isto é… dadas    2 posições quaisquer entre elas — sempre haverá… — alguma posição intermediária.  Chris Regan e Matthew Mecklenburg…da Universidade da Califórnia não pensavam nem em questões cosmológicas… nem em questões puramente matemáticas quando começaram a estudar uma forma de criar “transistores de grafeno“… ultrarrápidos.

Mas acabaram descobrindo que pensar o espaço como um conjunto de localidades discretas — como os quadrados de um tabuleiro de xadrez,          pode explicar como estruturas pontuais como elétrons, não possuindo      um raio finito, apresentam um momento angular intrínseco, ou spin.

O surgimento do spin pode ser explicado – dizem os pesquisadores…se a partícula habitar um espaço com 2 tipos de posições – como os quadrados claros e escuros de um tabuleiro. O spin parece emergir se esses quadrados estiverem tão próximos uns dos outros, que sua fronteira não possa ser localizada, se não existir um ponto intermediário entre eles… Para os pesquisadores… “O spin do elétron pode surgir, porque o espaço em distâncias muito pequenas… – não é liso e contínuo… – mas segmentado – como um tabuleiro de xadrez.” 

O spin do elétron

O elétron possui 2 estados…”spin up”, e “spin down”.  O fato do spin do elétron ter apenas 2 valores…e não 3…ou 4, ou infinitos…ajuda a explicar a ‘estabilidade da matéria’…a natureza das… ‘ligações químicas’… e, outros fenômenos fundamentais. Porém…a razão de como, exatamente, o elétron desenvolve tal atributo, entendida como um… “movimento rotacional“… ainda permanece desconhecida. Se o elétron tivesse um raio – sua superfície teria uma velocidade maior que a da luz, violando assim a “Relatividade”…Além disso — vários experimentos mostram que o elétron não possui raio… – supondo-se então… – que seja assim como uma partícula puramente pontual… – sem qualquer superfície… ou estrutura – que pudesse…eventualmente girar.

O físico Paul Dirac mostrou, em 1928, que o spin do elétron é intimamente relacionado com a estrutura do espaçotempo. – Seu argumento combina mecânica quântica…com a Relatividade Especial (teoria de Einstein do espaçotempo). Mas a equação de Dirac não acomoda meramente o spin – ela exige sua existência. Porém…embora mostre que a mecânica quântica relativística exige o spin… a equação não explica como a partícula pontual pode ter ‘momento angular‘, ou porque o spin tem apenas 2 valores possíveis.

O pseudo-spin, assim como o spin meio-inteiro apresentado pelos quarks e léptons, seria derivado de uma sub-estrutura escondida, não da própria partícula, mas do espaço no qual essas partículas vivem. [Imagem: Chris Regan/CNSI]

O pseudo-spin, assim como o spin meio-inteiro apresentado pelos quarks e léptons, seria derivado de uma sub-estrutura escondida, não da própria partícula, mas do espaço no qual essas partículas vivem. [Imagem: Chris Regan/CNSI]

Regan e Mecklenburg estão propondo novo enfoque, incrivelmente simples… um ‘spin binário‘ emergindo de 2 tipos de quadros; claros e escuros… – em um espaço – com a estrutura de “tabuleiro de xadrez“… – Eles tiveram essa ideia teórica, ao trabalhar um problema… eminentemente prático … qual seja, como construir melhores transistores de grafeno… De acordo com Mecklenburg:  “Queríamos calcular a amplificação de um transístor de grafeno…Para isso, tínhamos de calcular a eficiência em que operariam.”  Tais cálculos… devem incluir informações sobre como a luz interage com elétrons no grafeno, com estes movendo-se aos saltos,  de um átomo de carbono…a outro – como peças movidas num…’tabuleiro de xadrez’.

Quando um elétron no grafeno absorve um fóton … ele salta — de um triângulo claro – para um triângulo escuro. Regan e Mecklenburg então provaram que tal transição é equivalente a passar o spin, de ‘para cima’, para…’para baixo’… Noutras palavras, os elétrons adquiririam spin ao serem confinados em posições discretas e específicas, dentro do grafeno.

Esse spin agora proposto pelos pesquisadores, que deriva da geometria característica da rede atômica do grafeno, seria um spin adicional — diferente do spin comum do elétron. Eles o chamam ‘pseudo-spin‘, embora demonstrem se tratar também de um momento angular real. O pseudo-spin, assim como o ‘spin meio-inteiro‘ apresentado pelos quarks    e léptons seria então derivado de uma sub-estrutura oculta… – não da própria partícula, mas…do espaço no qual essas partículas existem. – Segundo os próprios pesquisadores:

“Ainda não se sabe se esse trabalho será mais útil…na física de partículas,                          ou na física da matéria condensada, mas seria estranho se a estrutura de                          favos de mel do grafeno fosse a única rede atômica capaz de gerar spins”.

Espaço pode não ser contínuo, mas segmentado como um tabuleiro de xadrez  +++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++

Telescópio Integral, e a Granulidade do Espaço#Tempo (jul/2011)                          “A mesma estrutura granular que caracteriza os demais campos quânticos, também caracteriza o espaço…Assim como há quanta de luz do campo eletromagnético, bem como todas as partículas são feitas de quanta de algum campo quântico, o espaço é      feito de grãos (quanta) de um campo quântico gravitacional“.  (Carlo Rovelli)    

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As observações do Integral são cerca de 10 mil vezes mais precisas do que qualquer medição anterior, e mostram que qualquer grão quântico deve estar abaixo da casa dos 10e-48  metro. [ESA/Medialab]

O Telescópio ‘Integral’ de Raios Gama, da Agência Espacial Europeia, revelou novos resultados…que irão afetar drasticamente a busca pela tal de… “física pós-Einstein”. Isso porque…os seus mais recentes dados mostraram que qualquer “granulação  quântica do espaço deverá ter uma escala bem menor – do que, até então se previa.

A Teoria Geral da Relatividadedescreve as propriedades da gravidade, assumindo ao espaço um tecido suave e contínuo. No entanto, a “teoria quântica” sugere que o espaço deva ser granulado, numa escala bem reduzida – como areia… numa praia.

Uma das maiores preocupações dos físicos na atualidade está na tentativa                        de compatibilizar estes 2 conceitos…unificados em uma ‘teoria quântica gravitacional’. Os dados do Integral agora, colocam novos limites bem                            mais rigorosos no tamanho desses grãos quânticos, mostrando que devem                        ser bem menores do que as previsões da gravidade quântica, até então.

Pelos cálculos originais… os minúsculos grãos poderiam afetar a forma com que os raios gama viajam pelo espaço. Os grãos deveriam ‘torcer‘ os raios de luz mudando a direção na qual oscilam – em uma propriedade chamada ‘polarização’… Os raios gama de alta energia seriam mais torcidos, do que os raios gama de energias mais baixas (a diferença   na polarização é usada para estimar o tamanho dos ‘grãos de espaço’). Philippe Laurent,      e colegas, usaram dados do instrumento “IBIS“, a bordo do telescópio “Integral“, para procurar diferenças de polarização entre raios gama de alta e baixa energia emitidos durante uma das mais poderosas explosões de raios gama” (GRBs) já observadas.

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As GRBs provêm de algumas das explosões mais energéticas…conhecidas no Universo. Acredita-se que a maioria ocorra – quando numa supernova, estrelas supermassivas  colapsam para formar ‘buracos negros’, ou estrelas de neutrons…Tal colapso gera um enorme pulso de raios gama; com duração    de poucos segundos até alguns minutos. Nesse breve tempo, a intensidade do pulso pode ofuscar o brilho de galáxias inteiras.

O GRB 041219A ocorreu em 19/12/2004… e foi imediatamente classificado no topo da lista dos GRBs em brilho. Ele foi tão intenso, que o ‘Integral’ foi capaz de medir com alta precisão…a “polarização” de seus raios gama. Foram então procuradas diferenças nessa polarização, a diferentes energias…mas, sem sucesso, dentro dos limites de precisão dos dados. Algumas teorias sugerem que a natureza quântica do espaço (sua granularidade) deve manifestar-se na chamada ‘escala de Planck’ a 10-35 metros. Porém, as observações      do Integral são cerca de 10 mil vezes mais precisas do que qualquer medição anterior, e mostram que qualquer grão quântico deve estar na casa dos 1048 metrosou menos.

texto baseObservatório desafia física pós-Einstein   *************************************************

gelo_quebrado

‘O Grande Resfriamento’                                  Segundo a teoria, o universo pode ter trincas em        sua estrutura – geradas em seu “congelamento”. 

Um grupo de físicos está propondo… – que aqueles  problemáticos femtossegundos iniciais do universo, quando, nada do que se conhece em física funciona, podem ser semelhantes…ao congelamento da água. Para eles, esses “momentos primordiais” poderiam ser modelados de uma forma que lembra a água se congelando. A teoria é conhecida como “Big Chill” (“Grande Resfriamento“)… – e teria ocorrido… imediatamente após o acontecimento…Big Bang.

O Big Bang é imaginado como um tipo de expansão que gerou algo similar                            ao plasma – extremamente quente e denso… – que desde o início, começou                            a esfriar. Mas, a forma como algo esfria, depende da estrutura desse algo.

James Quach e seus colegas afirmam que… o nosso entendimento da natureza do Cosmo pode melhorar – se prestarmos atenção às trincas e rachaduras…comuns a todos cristais, incluindo gelo d’água. Para ele…“Einstein assumiu o espaço e o tempo contínuos, fluindo uniformemente, mas agora acreditamos que esta hipótese não pode ser válida em escalas reduzidas. – Uma nova teoria… conhecida como ‘Quantum Graphity‘… – sugere que o espaço pode ser formado por blocos indivisíveis… – como os átomos… – Esses ‘blocos de construção do espaço’ podem ser pensados como semelhantes aos ‘pixels’…que formam uma imagem em uma tela porém, tão pequenosque é impossível vê-los diretamente”. 

A teoria ‘Quantum Graphity‘ – proposta em 2006… estabelece que o espaço emerge de estados de baixa energia dos graus de liberdade de uma rede dinâmica. Dessa maneira, propriedades como a velocidade da luz, e o nº de dimensões do Universo…emergiriam     de “interações” (como a massa das partículas emerge do campo do “bóson de Higgs“.)        Os pontos no ‘espaçotempo’ … (os pixels usados na comparação do pesquisador) – são representados por diminutos ‘nós‘ conectados por links, que podem estar “ligados” ou “desligados” … os nós “ligados” possuem variáveis de estado adicionais que definem o Universo resultante. – A novidade…é que Quach e colegas acreditam ter achado agora,       um modo de ver essas ‘partículas de espaço‘ indiretamente…Como ele mesmo explica:

“Pense no início do Universo como sendo um líquido. Então, conforme o Universo vai se esfriando, ele ‘cristaliza’ para as 3 dimensões espaciais, e uma temporal que vemos hoje. Teorizado desta forma…conforme o universo esfria… seria de se esperar que se formem rachaduras, semelhantes às fendas que se formam quando a água se converte em gelo.”

Se assim for…acreditam eles, alguns desses defeitos na estrutura do espaço poderiam ser detetáveis. Afinal, se o universo passou por uma fase de congelamento, com suas ‘trincas’ decorrentes, então estas poderiam ser observadas, pois – a princípio, deveriam interferir com a propagação da luz … como defende Andrew Greentree — um dos autores da teoria:

“A luz deveria se curvar, ou ser refletida nessas ‘reentrâncias’, e… assim,                              em teoria…poderíamos ser capazes de detetá-las”. (texto base) set/2012 *******************************************************************

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]

Neste modelo, o espaço-tempo clássico, 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.[Faculty of Physics/University of Warsaw]

Espaçotempo…’Campos de interação‘        A realidade nesse modelo é quântica…com características muito diferentes…daquelas          do mundo… – no qual vivemos. (jul/2013)  

A Gravidade Quântica em Loop…teoria que tenta explicar o surgimento do…”espaçotempo”, o sugere como a estrutura de um tecido, em um enorme nº de pequenas fibras, entrelaçadas por meio de loops (ou laços)Uma área de apenas 1 cm², por exemplocontaria com 10e66 fibras.

Segundo a Física pré Big Bang… o espaçotempo, como o conhecemos, não existia. – Todavia…de acordo com o Science Daily um grupo de físicos elaborou uma teoria quântico-gravitacional que explica seu processo de criação, concluindo que nem todas as “partículas elementares” estão no    “mesmo espaçotempo“… Segundo o modelo de…”Universo quântico”…proposto por Andrea Dapor, Jerzy Lewandowski e colegasvariadas partículas elementares… “experienciam”… a existência de variados…”espaçostempos“.

O novo modelo proposto combina relatividade geral e mecânica quântica, pela existência de 2 ‘campos de interação. Um deles, gravitacional, é identificado por um campo espacial…pois, conforme a “teoria da relatividade”…”a gravidade curva o espaçotempo”, dando origem, então…a “efeitos gravitacionais”…O outro campo é o escalarque atribui um número (escala) a cada ponto existente no espaço, o qual pode ser interpretado como    o elemento mais simples da matéria (1 bit)…Esta nova teoria tenta explicar as diferenças entre duas realidades, o espaçotempo ‘quântico’…e o ‘trivial’, sendo este último resultado da interação com a matéria, de “estados iniciais” da ‘gravidade quântica’…pela criação de padrões de interação gravitacional entre partículas sem massa e partículas em repouso (massa positiva). De acordo com o “modelo padrão da física“, que descreve as partículas elementares e suas interações…fótons são partículas sem massa; enquanto aquelas partículas escalares massivas, consideradas no estudo, são os…‘Bósons de Higgs’… Só faltava então, alinhavar o período quântico ao clássico, onde vivemos…diz Lewandowski: 

“Nesta situação… parecia natural perguntar… – Como é que o corrente “espaçotempo” emerge dos estados primários da ‘gravidade quântica’?…Como resultado da interação entre matéria e gravidade quântica?… – E será que cada tipo de matéria interage com um tipo de ‘espaçotempo’ … que tem as mesmas propriedades em todas as direções?…” 

O próximo passo foi… conforme as leis do modelo da “gravidade quântica”… derivar as equações que representam o comportamento das partículas; para depois verificar se era possível obter equações semelhantes para o espaçotempo convencional…com diferentes simetrias. No caso das partículas simples e sem massa (fótons)…explica Lewandowski:

“independente de que suas energias ou momentos sejam maiores ou menores, o ‘espaçotempo’ parece ser o mesmo em todas as direções”.

Anisotropia do espaçotempo?                                                                                  “Partículas com massa, não só experienciam diferentes espaçotempos, mas cada uma vê sua própria versão particular de espaçotempo, dependendo da direção em que se move.”

Mas, para as partículas com massa, a situação foi diferente, impondo uma condição adicional específica ao modelo. Os físicos demonstraram que um espaçotempo clássico, que satisfaça, simultaneamente, a condição de massa – tendo as mesmas propriedades,   em todas as direções, não pode ser calculado. – O espaçotempo apropriado poderia ser encontrado apenas entre ‘espaçotempos anisotrópicos‘… cuja direção preferencial fosse a direção do movimento da partícula… Dessa forma, o estudo demonstrou que as partículas com massa – além de apresentarem ‘espaçotempo’… diferente ao dos fótonsadquirem versões próprias de espaçotempo; conforme a direção pela qual se deslocam.

O espaçotempo clássico emergiria assim da interação entre matéria e gravidade quântica, de forma semelhante à estrutura atômica do gelo…se formando a partir do congelamento da água líquida, em seus átomos desordenados…Mas, será que isto significa então…que o Universo das partículas com massa é anisotrópico? – A resposta é Não!… Apesar dessa descoberta propor que um universo de partículas massivas não tenha,  em todas direções, as mesmas ‘propriedades’… pesquisas mais recentes indicam, que partículas elementares,  em qualquer mudança de direção sempre apresentam as ‘mesmíssimas’ características.

É claro que, como meros observadores do comportamento das partículas, nós somos clássicos, não quânticos – e, em certo sentido, estamos fora do mundo das partículas. Assim, na prática…não é relevante se cada partícula possa experimentar seu próprio espaçotempo – ainda que isto seja real…Ademais, considerando que todas partículas observadas em laboratório têm as mesmas características…independente da direção        do seu movimento … confirmar experimentalmente previsões teóricas deste trabalho,      não será uma tarefa trivial. (Foi isso que concluiu a comunidade física ao fim da 20ª Conferência Internacional de Relatividade Geral e Gravitação) (texto base)  ********************************************************************************

Espaço pode ser formado por “átomos de espaço” (out/2013)                                      “O contínuo deixa de ser discreto…apenas por não estar suficientemente bem definido”. 

Apesar de todos os avanços recentes … a “física atual“…não consegue descrever o que aconteceu no “Big Bang“. As teorias quântica e relativística…funcionam bem, dentro de suas próprias fronteiras…mas, colapsam no “estado primordial”, quase infinitamente denso e quente do cosmo.  Em certas regiões extremas a distâncias ínfimas … na chamada escala de Planck, nenhuma teoria hoje – poderia explicar qualquer coisa, inclusive espaço-tempo. 

Portanto, espaço e tempo não têm significado em…”buracos negros”, ou no                          “Big Bang”. – Por isso…estamos à procura de uma teoria mais abrangente                          (“gravidade quântica”) que unifique esses 2 pilares fundamentais da física.                          Só assim poderíamos ter uma visão plausível de como o universo começou.

Nesse sentido, uma recente importante descoberta foi feita por cientistas do Instituto Max Planck de Física Gravitacional (Alemanha) e do Perimeter Institute (Canadá). – De acordo com a nova teoria…o espaço seria composto de pequenos ‘blocos fundamentais‘… – Assim como a matéria tem nos átomos seus blocos de construção básicos, o espaço também seria formado por algo parecido com “átomos de espaço“… Tomando essa hipótese como ponto de partida…os cientistas chegaram a uma das equações mais fundamentais da cosmologia, aequação de Friedmann“…descrevendo o Universo em expansão – que foi derivada pelo matemático russo Alexander Friedmann, na década de 1920, com base na Teoria Geral da Relatividade de Einstein… demonstrando assim…segundo eles, que a “mecânica quântica” e a “teoria da relatividade”…podem, realmente, se tornar compatíveis a uma unificação.

NASA Telescopes Set Limits on Space-time Quantum Foam

A ilustração sugere como a estrutura espumosa do espaço-tempo se assemelharia, mostrando a flutuação de minúsculas bolhas, trilhões de vezes menores do que um núcleo atômico, perdurando apenas por frações infinitesimais de segundo. (FONTE)

De acordo com a…’Relatividade’, o espaço é um continuum… mas, segundo Daniele Oriti… — assim como o líquido é feito de átomos onde a ‘hidrodinâmica’ não mais se aplica, podemos imaginar um “micro-espaço”…constituído por células elementares, ou “átomos de espaço”, descritos pela teoria da gravidade quântica, aplicada, não só ao… ‘espaço relativístico’, mas à sua própria ‘consistência’.

Escalas dimensionais                                                                                                                  Mas, como pode a… “hidrodinâmica” – que vale para a                                                            água que flui, ser derivada de uma teoria para átomos?

Um problema fundamental de todas abordagens da ‘gravidade quântica’ consiste em estabelecer uma ponte entre as grandes escalas dimensionais… – dos átomos…até as dimensões do Universo… A tarefa agora foi descrever a forma da evolução do espaço,           a partir das células elementares, ou partículas de espaço…Esta tarefa matemática desafiadora – como explicou Oriti… conduziu a um ‘sucesso surpreendente’… – “Sob hipóteses especiais, o espaço é criado a partir desses blocos básicos… e evolui como        um Universo em expansão. Pela 1ª vez, pudemos derivar a ‘equação de Friedmann’ diretamente… — como parte de uma… teoria completa … da estrutura do espaço”.

Oriti e seus colegas, então… conseguiram fazer a ponte do micro-mundo ao mundo macro, e portanto…da ‘mecânica quântica’…à Teoria da Relatividade Geral. Eles mostraram que o espaço emerge como ocondensadodessas células elementares, e evolui para um mundo, que se assemelha ao nosso. – Nesse ponto…ressalte-se que Oriti começou sua frase acima, com “Sob hipóteses especiais”É que a solução é válida para um universo homogêneo. Mas nosso mundo real é muito mais complexo… – contendo “heterogeneidades” – tais como galáxias, estrelas, planetas, e seres humanos… – Agora, eles estão trabalhando para incluir esses “detalhes” dentro de sua “teoria das partículas de espaço“. (texto base) ***********************************************************************************

“Bit-espaçotempo”                                                                                                                Quais os blocos de construção básicos do cosmos?…Átomos, energia, partículas e massa?  Mecânica quântica, forças, campos, espaço-tempo? Microcordas com muitas dimensões?  Segundo recente estudo…a “informação“…é que seria a base fundamental da realidade.

quanticspacetime1.gifO físico John Wheeler caracterizava essa ideia como…”It do bit” – “it” referindo-se a todas as coisas do universo, e ‘bit’ significa informação. “It do bit” seria algo como ‘O universo feito de informação’. De fato não é nenhuma novidade que a ‘informação‘ está mudando a sociedade.  O novo é que a ciência também está mudando com a informação. Então a pergunta é… como entendê-la; ou melhor, será ela (‘informação’)      a constituinte básica que construiu o cosmos?

Para o físico Paul Davies, da Arizona State University: “Historicamente, tal questão tem estado na base da ‘cadeia explicativa’…e a informação tem sido uma espécie de derivada secundária dela… Mas agora, há entre certos físicos um interesse crescente de dizer que, talvez… no ‘fundo’… – o Universo seja feito de…”informações” – e por elas processado.”

spinSeth Lloyd, professor do MIT, defende esta ideia, ao comparar o…”universo”…a um “computador”: ‘sistema físico que despedaça informação; invertendo bits de forma sistemática’Ele explica que, spins de elétrons, descritos por leis quânticas só podem assumir 2 valores… girando p/cima ou p/baixo; como uma base binária (bit). 

Para Lloyd…“no fundoo Universo é composto de informações carregadas por cada partícula elementar”. Portanto, informação não é apenas uma forma aproximada de apreciar a atividade do universo – mas, a “resposta” mais fundamental, de como ele ‘realmente‘ funciona… Sendo o universo um sistema físico que contém, e processa informações metodicamente, pode fazer tudo o que um computador faz…Porém, ele  não considera metaforicamente o universo propriamente um computador…mas sim,      um evento científico…onde todas alterações no Universo, são à base de…”cálculos“.

Todo Universo escrito em “binário”

“A Informação não é a modelagem do sistema, é próprio sistema…A realidade só funciona, se  a…’informação’…for autêntica… – verdadeira”.

Para Raphael Bousso, físico teórico da UCLA/ Berkeley, a informação não é só “ferramenta” de medida, é um elemento principal…do que acontece agora no mundo…E Lloyd explicou:

“Pense numa ‘onda do mar’ quebrando na praia…Todas as moléculas de água… por sua configuração, sua rotação, e posição em relação às outras ‘moléculas d’água’, carregam consigo ‘bits’ de informação. – Portanto… sempre que quaisquer 2 moléculas de água se chocam, mudam de direção…processando esses bits. Agora, imagine que cada molécula d’água…essencialmente…esteja dizendo às outras moléculas…o que fazer…Combinando inúmeras moléculas interagindo umas com as outraschegamos assima uma onda“.

Alegações extraordinárias exigem evidências extraordinárias                  Reconhecendo a diferença entre…modelo e realidade…não devemos                              imaginar…que o universo funcione – apenas…pela simples operação de                            programas similares… em execução dentro de cada partícula”.

Mas ainda é opinião minoritária que a ‘informação seja mais fundamental do que a física.  O físico Stephen Wolfram, por exemplo, a considera… – “o fenômeno mais importante de nossos tempos”, e postula que… — “regras simples” … geram o que vemos na natureza. Desse modo…descreve uma “representação” do universo em termos, fundamentalmente, “computacionais“… – E…embora afirme que essas regras simples possam ser ainda mais fundamentais que a própria matemática — não considera cada elétron, como executando um programa… — e agindo como um objeto… que possa interagir com outros programas.  

Já para Alan Guth, físico teórico do MIT, e criador da ‘teoria inflacionária’… – a noção de informação como…”princípio”… não é convincente – pelo menos, não ainda – e explicou:  “Não encontro justificativa para tal afirmação… embora talvez possa ser convencido dela no futuro. A menos que bits fizessem algo de diferente das leis físicas…não vejo nada de extraordinário. São modos equivalentes…não dá para afirmar qual é mais fundamental”.

A abordagem ‘equilibrada’ de Guth…descreve matéria, energia e informação…como quase idênticos. Segundo ele, isso se deve em parte, à possibilidade de que nosso universo possa vir a ser explicado, um dia… – numa ‘simulação’…em um computador (quântico) cósmico.  Se a informação é primária… e o Universo é fundamentalmente, um computador, então deve ser possível…pelo menos teoricamente viável a princípio, simular o cosmos inteiro em supercomputadores futuros. Portanto, não poderíamos rejeitar a possibilidade de que nosso Universo atual seja um…’simulacro’…um tipo de ‘matrix‘. Disso porém, surge outra consequência. Um universo totalmente simulado confirmaria a ideia reducionista, de que tudo, inclusive a consciência, poderia ser explicado pela física…ou, por “eventos digitais”.  Além do que, se a estrutura básica consistir de informação, então deve haver maneiras de usá-la para melhorar o “modelo padrão da física, incluindo ‘parâmetros livres’, até agora “indemonstráveis“, e carentes de coerência interna (exs. ‘matéria escura’ e ‘gravidade’.) A pergunta então que resta a ser feita é: poderiam estas teorias (“abstratas”) da informação serem testadas?…Mesmo sendo o Universo uma…”simulação”…esta nunca seria perfeita; então, talvez seja possível detetar, a níveis extremos de precisão, falhas, ou mesmo erros em medições físicas, tais como desvios em constantes nucleares, ou na velocidade da luz.

Outro teste possível para a informação como parâmetropode incluir a confirmação          da teoria de que o universo é um holograma (imagem 3D…projetada a partir de uma      fonte 2D)…e que o espaço não é suave e contínuo – mas, como uma grade, e discreto (como “informação”). ##### (texto base) ##### (texto original) ##### maio/2015  *******************************************************************************

Espaçotempo gerado pelo entrelaçamento quântico!?  –  jun/2015                              O trabalho de uma equipe de físicos e matemáticos deu um passo significativo em direção à unificação da relatividade geral com a mecânica quântica. – Para a equipe…além de não haver incompatibilidade entre as 2 teorias – o próprio ‘espaçotempo‘ – emerge daquele estranho comportamento das partículas quânticas… — o ‘emaranhamento quântico‘.

universo-holografico

Nossa realidade seria a projeção de um holograma cósmico em direção a um futuro infinito. [IMAGEM: Ephraim Brown]

O “emaranhamento”… ou ‘entrelaçamento quântico’ é um fenômeno no qual ‘estados’ como ‘spin‘…ou, polarização de partículas, localizadas em variados pontos do espaço, não podem…ser descritos – de uma forma independente, pois fazer uma medição em umas das partículas imediatamente altera a situação da outra ‘partícula entrelaçada’, algo que Einstein, ironicamente…chamou “ação fantasmagórica…à distância”.  Pois bem, Jennifer Lin propõe agora, que é justamente esse tal de entrelaçamento quântico” … que fabrica as “dimensões adicionais” … da teoria gravitacional.

Esses argumentos são fundamentados no ‘Princípio Holográfico‘, que afirma que a gravidade de um ‘volume tridimensional’ pode ser descrita pela mecânica quântica            na superfície bidimensional que envolve esse volume…ou seja, é matematicamente possível deduzir 3 dimensões de volume a partir das duas dimensões da superfície.        Mas… havia uma dificuldade – faltava compreender os mecanismos precisos, que poderiam permitir o surgimento do volume interno…a partir da superfície externa.

No entanto  agoraJennifer e sua equipe encontraram uma maneira de mostrar            que o “entrelaçamento quântico” é a chave correta para resolver essa questão.        Usando uma teoria quântica (não incluindo gravidade) ela mostrou como calcular                a “densidade de energia fonte de interações gravitacionais em 3 dimensões,      usando apenas dados do entrelaçamento quântico — na superfície do “holograma cósmico”. Isso permitiu interpretar as propriedades universais do entrelaçamento quântico como sendo condições para a “densidade de energia” – que precisam ser satisfeitas por qualquer consistente…”teoria quântica da gravidade” – sem incluir explicitamente gravidade na teoria. E o orientador Hirosi Ooguri assim concluiu:

“Nosso artigo lança nova luz sobre a relação entre o ‘entrelaçamento quântico’ e a estrutura microscópica do ‘espaçotempo’, por cálculos explícitos. A interface entre             a ‘gravidade quântica’ (trabalho dos físicos)…e a ciência da informação (trabalho           dos matemáticos) se faz cada vez mais importante a ambos os lados”. (texto base) *****************************************************************************

Função Beta, e o arco-íris espaçotemporal (jan/2016)                                                        O pequeno valor atual da ‘função beta‘ significa que o ‘arco-íris‘ do espaçotempo é estreito demais…para ser detetado experimentalmente – com a tecnologia disponível. Entretanto, poderia ser possível detetar seus efeitos…em experimentos como o ‘LHC’.

A equipe do professor Jerzy Lewandowski da Universidade de Varsóvia Polônia, já havia mostrado que o espaçotempo não é o mesmo, para todas as partículas. – Mas, parece que o ‘mecanismo‘ é ainda mais genérico do que se pensava. – Eles descobriram uma forma pela qual o tecido do ‘espaçotempo‘ – sentido por uma dada partícula varia em função… não só do seu tipo… mas, até mesmo de sua energia.  Os cálculos mostraram…que as partículas de diferentes energias, interagem com o espaço-tempo quântico … de uma forma que lembra muito o modo como fótons interagem com o prismapor um arco-íris espaçotemporal.

Enquanto o arco-íris normal de luz pode ser descrito em termos do índice de refração…o arco-íris espaçotemporal tem a ver com a ‘função beta – uma medida da extensão   em que a estrutura do espaçotempo clássica…a que experimentamos, difere da estrutura do espaçotempo quântica, ou seja, a função beta reflete um grau de ‘desclassicalidade‘.  Nas ‘condições clássicas’ – aquelas nas quais percebemos o Universo, a ‘função beta’ fica próxima de zero; já em condições quânticas, seu valor se aproxima de 1. Hoje o universo está em um estado clássico…e os cálculos apontam para uma função beta inferior a 0,01. Quanto mais próximo do ‘Big Bang’ – mais a ‘função beta’ se aproxima de 1. (texto base)    **********************************************************************************

gravidade

Uma teoria de gravitação do ‘espaçotempo’  Gravitação quântica, como uma teoria do tempo  e espaço, foi um dos grande “insight” de Einstein.

No ano passado, o mundo da física comemorou os 100 anos da “relatividade geral” de Einstein, que fundamentou o saber atual… sobre a “gravidade.

Ela abriu um universo que nunca deixa de nos surpreender…’buracos negros’, ‘big bang’, ‘energias escuras’, ‘ondas gravitacionais’, tirando-nos das trilhas de pensamento em que caímos com tanta facilidade… – Mas a tinta da teoria mal tinha secado no papel quando Einstein viu 1 problema… Ela contradizia a mecânica quântica, sugerindo a necessidade   de uma teoria ainda mais profunda…para unificar esses 2 pilares da física fundamental.  Em junho de 1916, Einstein escreveu que: “A teoria quântica teria de modificar não só a eletrodinâmica de Maxwell, mas também a nova teoria da gravitação”. Foi um insight e tanto, se considerarmos que a ‘teoria quântica ainda nem sequer existia. Era uma ideia ainda nebulosa, que levaria uma década para se cristalizar….Comemoramos portanto o centenário, não só da teoria de Einstein – mas também o longo esforço em implantá-la.

Enquanto a “relatividade geral” levou uma década para ser formulada, a ‘gravitação quântica’ confunde gerações de cientistas há mais de 1 século.

Com efeito…os físicos sempre formularam suas teorias considerando tempo e espaço. E assim…uma teoria da gravitação supõe…por exemplo – que a passagem do tempo varia; mas a palavra “varia“…conota um processo temporal…Se o tempo está variando, então      a própria razão segundo a qual ele está variando, também varia; e cria-se um paradoxo. Essa circularidade conceitual, traz problemas matemáticos. Por exemplo, o pequeno “t” que os físicos usam para denotar tempo…desaparece das equações…impossibilitando assim a explicação de mudanças no mundo. Mas, na descrição do que está acontecendo,      é preciso ir além do tempo, e do espaço… E, o que significa isso?… — O desconhecido.fundo-ondulado
Teoria das cordas, gravidade quântica em loop, teoria da causalidade…estas são apenas algumas das abordagens teóricas. – Por certo, cada qual com sua perspectiva. Contudo, nota-se que todas concordam com uma lição essencial… “o espaço-tempo habitado por nósé uma construção“. – Ele não é fundamental na natureza, mas emerge de      um nível mais profundo de realidadeconsistindo de “blocos primitivos” (átomos de espaço)cujas propriedades são assumidas de acordo com o encaixe desses blocos.

Tais…átomos… não são nada parecidos com átomos comuns. Primeiro, eles não são “minúsculos”…pois esta palavra é uma descrição espacial…e tais átomos criam espaço, sem pressupor a sua existência (NÃO-LOCAL). Porém, muitos dos mesmos princípios      se aplicam A água, por exemplo, consiste de moléculas de H2O. Ela pode mudar de estadocongelar ou ferver – conforme o rearranjo de suas moléculas – em estruturas diferentes… – De forma semelhante… – o ‘espaço‘… – Se os seus “átomos primitivos” puderem se organizar provavelmentetambém poderiam formar outras estruturas.

E isso explicaria muitos dos mistérios da física moderna; por exemplo, por                        que as leis físicas…atuando no tempo…são incapazes de explicar seu início.

Considere buracos negros…Algum objeto que caia em um deles, pela teoria de Einstein, veria seus átomos simplesmente desaparecer… – As novas teorias do espaçotempo porém, sugerem uma figura diferente…segundo a qual, o espaço muda de estado, dentro dos BNs.  Isto porque, o buraco negro não tem volume interno, seu perímetro marca o ponto onde o espaço se desfaz. O resultado é um novo estado não mais espacial e difícil até de imaginar. Portanto, o objeto que nele entrasse…teria seus átomos assumindo formas desconhecidas.

Já no ‘big bang‘…que, como ‘buracos negros’, também sempre foi uma espécie de paradoxo – as leis ordinárias da física…operando sob o tempo…são inerentemente incapazes de explicar o começo desse tempo. Para essas leis… alguma coisa tem de           vir antes do ‘big bang’ para que o evento possa ocorrer…Porém, não deveria haver        nada antes dele… – Uma maneira de resolver essa contradição… é pensar no “big         bang não como um começo, mas como transição, quando o espaço se cristalizou.

E, finalmente, temos o misterioso fenômeno da não-localidade quântica…que Einstein chamou ação fantasmagórica à distância (2 ou mais partículas, agindo de modo coordenado, independentemente de qualquer comunicação ou distância que as separe).  Uma possível explicação para tal comportamento, é que estas partículas tenham raízes    em um nível de realidade mais profundo… – no qual a distância não tenha significado.  Certamente isso tudo ainda é especulaçãomas especulação qualificada, resultante da combinação dos princípios da teoria de Einsteincom a ‘teoria quântica’. Pela própria natureza da ciência…não sabemos o que essas ideias significam; e nem sequer se estão corretas. Todavia os efeitos do próximo passo certamente vão se propagar; e aprender coisas novas do universo conduzirá a humanidade a outro nível. (texto base mai/2016)  ****************************(texto complementar)********************************

Espaço e Tempo São … “Quantizados”?… — Talvez Não (jun/2018)                            Na busca por verdades fundamentais em nosso Universo, uma das maiores                  questões (espaço e tempo contínuos ou discretos) permanece sem resposta.

espaçotempo

Ao longo da história da ciência, um dos principais objetivos… — de dar sentido ao Universo foi descobrir o que é fundamental Muito do que vemos e interagimos…no moderno mundo macroscópico…é composto e… pode ser derivado de partículas menores e das leis subjacentes que permanentemente as governam.

A ideia de que tudo é feito de elementos vem de milhares de anos…e nos levou da alquimia à química, dos átomos e partículas subatômicas…ao Modelo Padrão, incluindo o conceito radical de um“universo quântico”. Porém, apesar de evidências muito boas de que todas as entidades fundamentais no Universo, em algum nível…são quânticas; isso não significa que tudo é ao mesmo tempo discreto e quantizado… Como ainda não há domínio pleno da gravidade a nível quântico, espaço e tempo ainda são contínuos… a um nível fundamental.

Do que sabemos até agora

Mecânica quântica traz a ideia de que descendo a uma escala pequena o suficiente, tudo o que contém energia; seja massiva (como elétron)…ou sem massa (como fóton), pode ser dividido em quanta individuais. – Podemos pensar nesses quanta … como pacotes de energia‘; que algumas vezes se comportam como partícula, outras como onda, segundo aquilo com que interagem. Tudo na natureza obedece às leis da ‘física quântica’, e as nossas leis “clássicas” que se aplicam a sistemas macroscópicos podem sempre derivar (…pelo menos em teoria) ou emergir…daquelas regras quânticas mais fundamentais. — Mas nem tudo necessariamente é discreto…ou capaz de ser dividido    espacialmente em uma região localizada… – Por exemplo… para uma banda de metal condutora, não há descrição de onde está o elétron que a ocupa. Continuamente… ele    pode estar em qualquer lugar dentro dessa faixa… – Só porque algo é quantizado…ou fundamentalmente quântico…por natureza – não significa que tudo deva ser discreto.

A ideia de que espaço (ou espaço e tempo…inextricavelmente ligados pelas teorias da relatividade de Einstein) pode ser quantizado remonta a Werner Heisenberg, criador          do…”Princípio da Incerteza” – uma relação teórica que fundamentalmente limita          a precisão com que podemos medir certos pares de quantidades (posição e momento,        por exemplo). Heisenberg percebeu que certas quantidades divergiam ou iam para          o infinito ao tentarmos calculá-las utilizando a “teoria quântica de campos“.

diagramaincerteza

O diagrama ilustra a relação de incerteza inerente entre posição e momento. Quando um é conhecido com mais precisão, o outro fica menos capaz de ser conhecido com precisão. (Wikimedia Commons Maschen)

Por sua vez, Heisenberg notou que, ao postularmos uma escala de distância mínima      para o espaço, esses infinitos desapareceriam. De acordo com a física matemática, a        teoria torna-se assim renormalizável o que nos possibilita retornar aos cálculos. Podemos obter uma compreensão intuitiva sobre isso — imaginando uma partícula quântica colocada em uma caixa…“Onde está a partícula”?Bem, ao fazermos uma medição, teremos uma incerteza associada a ela…proporcional a ħ /L…onde ħ é a constante de Planck e L é o tamanho da caixa. Esta incerteza é pequena, em relação            à partícula em si, mas não será o caso…se L for muito pequeno. Por isso, é tentador introduzir uma escala de corte. Tal distância mínima é muito útil na física quântica.

Quando considera uma…’gravidade não quantizada’ – esta amplifica          a incerteza inerente à posição, conforme estabelecido por Heisenberg, tornando, desse modo, impossível entender distâncias abaixo de uma escala conhecida como ‘comprimento de Planck‘: 10e(-35) metros. 

Por ainda não termos uma teoria final da gravidade (quântica), não sabemos se esse problema é real, insuperável, o que implica necessariamente que o espaço é discreto.          A dificuldade original de Heisenberg…veio na tentativa de ‘renormalizar’ a teoria do decaimento beta; impossível de funcionar sem uma escala de comprimento mínimo. Entretanto, desde o desenvolvimento da teoria eletrofraca e do Modelo Padrão,          não mais necessitamos uma escala discreta de comprimento mínimo para lidar com      ‘decaimento radioativo’. Então, onde estamos agora na questão de saber se espaço e  tempo são quantizados?…Temos 3 possibilidades – todas com grandes implicações:

planck-scale

Os objetos com os quais interagimos no universo variam de escalas cósmicas muito grandes até cerca de 10e-19 metros.

1.) Espaço e/ou tempo discretos.

Imagine uma escala de comprimento mais curta possível. Há porém, um problema: na “teoria da relatividade” de Einstein, podemosem qualquer lugar, colocar uma régua imaginária,  e ela parecerá encurtarconforme a velocidade…com que nos movermos, em relação a ela. Em caso de ‘espaço quantizado’ – pessoas se movendo a diversas velocidades mediriam uma ‘escala de comprimento’diferente!  Isso, todavia, sugere uma referência fundamental privilegiada, com uma determinada velocidade…no espaço com comprimento máximo possível. Isso portanto, exige desistências na física, como ‘invariância de Lorentz’    ou ‘localidade‘. Discretizar o tempo também trazbons dilemasà TRG.

2.) Espaço e tempo ambos contínuos. É possível que os problemas que percebemos agora, por outro lado, não sejam problemas intransponíveis, mas sim, consequências de    se ter uma teoria incompleta do “universo quântico”… É possível que o espaço e o tempo sejam realmente contínuos…e, embora de natureza quântica – não possam ser divididos em unidades fundamentais. Pode ser um tipo espumoso de espaçotempo, com grandes flutuações de energia em escalas diminutas…mas pode não haver uma escala menor. Ao concluirmos uma teoria quântica gravitacional, ela poderá ter ‘tecido quântico contínuo’.

3.) Espaço e tempo com resolução finita (alcançável). Isso se encontra no centro da discussão entre o que pode ser “real” ou “fundamental”…e o que é “mensurável”. Imagine uma estrutura contínua cuja capacidade de visualização seja limitada. A uma certa escala de distância… pequena o suficiente, ela pareceria desfocada… Poderia então, ser o caso de não termos capacidade de definir se é realmente contínua ou discreta…só poderíamos dizer que não podemos resolver a estrutura, abaixo de uma certa escala de comprimento.

prisma

Esta é uma ilustração da luz sendo dispersa por um prisma em cores bem definidas, quando muitos fótons de energia média a alta atingem um cristal. Se a configurarmos com apenas um único fóton, a quantidade de movimento do cristal poderia estar em um nº discreto de “passos” espaciais. (Wikimedia Commons Spigget)

O teste de Bekenstein

Incrivelmente pode haver um modo de testar, se existe uma escala de menor tamanho ou não. Três anos antes de morrer o físico Jacob Bekenstein apresentou a ‘brilhante ideiado experimento…onde um único fóton atravessa um cristal…se movendo por uma quantidade mínima de energia… Como fótons podem ser continuamente…sintonizados em energia…e sendo cristais muito massivos, em relação ao momento do fóton…deve ser possível detetar se os “passos” em que o cristal se move – são discretos ou contínuos. Quantizado o espaço, se o cristal se mover – por 1 fóton de mínima energia – o fará num único “passo quântico”.

A ideia de uma menor escala possível – seja na distância ou no tempo – intrigou os físicos desde que foi pela primeira vez considerada. – Tudo é quântico…mas nem tudo é discreto. Na “relatividade” de Einstein, espaço e tempo ainda são tratados como 2 partes ligadas de um tecido contínuo. Na ‘teoria quântica de campos’…o espaço-tempo é o estágio contínuo no qual a ‘dança dos quanta’ ocorre. Mas, deveria haver uma teoria quântica da gravidade no centro de tudo isso… – A questão de…discreto ou contínuo?…contém possibilidades fascinantes, incluindo nossa total ignorância, abaixo de uma certa escala. Embora muitos assumam uma resposta ou outra, o certo é que precisamos de mais informações, antes de tentarmos compreender como é o nosso Universo em um nível fundamental. (texto base)

Sobre Cesarious

estudei Astronomia na UFRJ no período 1973/1979.
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2 respostas para Teorias práticas para um “espaço/tempo” quantificado

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