Gravitação quântica

Gravitação quântica é o campo da física teórica que desenvolve modelos físico-matemáticos específicos, no propósito de contribuir para a unificação da mecânica quântica (que já descreve três das quatro conhecidas interações de campo) com a relatividade geral (que contempla e descreve a quarta interação de campo, a interação gravitacional). Gravitação quântica, em si, busca conciliar no domínio quântico (subatômico) a aplicação da interação gravitacional. O desafio final é construir uma teoria do campo unificado (a teoria do tudo), que descreva todas as interações nos domínios micro e macrocósmico.

Muito da dificuldade em se fundir estas teorias origina-se das hipóteses radicalmente diferentes que estas teorias utilizam para explicar como nosso universo funciona. Enquanto a teoria de campo quântico baseia-se em campo de partículas embutidas no espaço-tempo da relatividade restrita, a relatividade geral modela a gravidade como uma curvatura no espaço-tempo que afeta o movimento das massas.

O caminho mais óbvio para combinar estas duas (que é tratar a gravidade como simplesmente outro campo de partícula) conduz rapidamente para aquilo que conhecemos como problema da renormalização. Partículas de gravidade devem atrair-se mutuamente, somando juntas todas as interações, resultando em muitos valores infinitos os quais não podem ser facilmente cancelados sem ajuste sensível. Isto contrasta com a eletrodinâmica quântica onde algumas vezes se atinge resultados infinitos, mas estes, por serem poucos, podem ser removidos via renormalização.

Ambas, mecânica quântica e relatividade geral tem sido altamente bem sucedidas. Infelizmente, a energia e as condições na qual a gravitação quântica se torna importante são inacessíveis aos experimentos laboratoriais atuais. O resultado disto é que não há dados observacionais que possam prover qualquer auxílio para combinar as duas .

A abordagem geral tomada na geração de uma teoria quântica da gravidade é assumir que a teoria em questão será simples e elegante e então procurar nas teorias atuais por simetrias e dicas de como combiná-las em uma teoria mais abrangente. Um problema com esta abordagem é que não sabemos se a resultante será uma teoria simples e elegante. No entanto, tal teoria se faz necessária no sentido de compreender problemas onde estão envolvidas uma combinação de grandes massas e energias com dimensões espaciais muito reduzidas, tais como o comportamento de buracos negros, e a origem do universo.

Perspectiva histórica

Historicamente, tem havido duas reações à aparente inconsistência da teoria quântica com a necessária independência-básica da teoria da relatividade geral. A primeira é que a interpretação geométrica da relatividade geral não é fundamental, mas surge qualitativamente de alguma teoria mais primordial. Isto é explicitado, por exemplo, no livro-texto clássico de Steven Weinberg Gravitation and Cosmology. Um ponto de vista oposto é que a independencia-fundo é fundamental, e que a mecânica quântica necessita ser generalizada por parâmetros onde não foi especificado, a priori, o tempo. O ponto de vista geométrico está exposto no texto clássico Gravitation, de Misner, Wheeler e Thorne.

Os dois livros, editados por renomados físicos teóricos, expressam visões completamente opostas do significado da gravitação. Foram publicados quase simultaneamente no inicio de 1970. A razão foi que um impasse tinha sido alcançado, uma situação que levou Richard Feynman (que por si mesmo tinha feito importantes tentativas para compreender a gravitação quântica) a escrever, em desespero, "Lembre-me de não voltar a mais nenhuma conferência de gravitação" em uma carta para sua esposa no inicio de 1960.

Progressos foram alcançados nas duas frentes, conduzindo, em 2004, à teoria das cordas por um lado, e por outro lado à gravitação quântica em loop.

A incompatibilidade entre mecânica quântica e relatividade geral

Harmonizar a teoria da relatividade geral, que descreve a gravitação e suas aplicações em estruturas de larga-escala (estrelas, planetas e galáxias) com a mecânica quântica, que descreve as outras três forças fundamentais atuando em escala microscópica é, atualmente, um dos maiores problemas da física teórica.

Uma lição fundamental da relatividade geral é que não existe um referencial preferencial para o espaço-tempo, como exposto na mecânica Newtoniana e na relatividade restrita, ou seja, a geometria do espaço-tempo é dinâmica. Apesar da fácil aceitação em princípio, esta idéia é de difícil compreensão no que tange à relatividade geral, e suas conseqüências são profundas, mas não totalmente exploradas, mesmo ao nível clássico.

Em um certo sentido, a relatividade geral pode ser vista como uma teoria relacional, na qual a única informação física relevante é a relação entre diferentes eventos no espaço-tempo.

Por outro lado, a mecânica quântica possui uma dependência desde sua concepção de estrutura (não-dinâmica) de fundo. No caso da mecânica quântica, o tempo é dinâmico e não determinado, como na mecânica clássica newtoniana. Na teoria quântica de campo relativística, tal como em uma teoria clássica de campo, o espaço-tempo Minkowski é fixado no arcabouço da teoria.

A teoria das cordas, foi concebida como uma generalização da teoria quântica de campo onde, ao invés de partículas pontuais, objetos parecidos com cordas propagam-se num arcabouço de espaço-tempo fixo. Embora a teoria das cordas tenha origem no estudo do confinamento de quark e não da gravitação quântica, foi logo descoberto que o seu espectro contem o graviton, e que a "condensação" de certos modos vibracionais da corda é equivalente à modificação do arcabouço original.

A Teoria quântica de campo (não-Minkowskian) curvado, embora não seja uma teoria quântica da gravidade, tem mostrado que algumas hipóteses da teoria quântica não podem ser consideradas sob espaço-tempo curvo. Em particular, mesmo a noção quântica de vácuo depende do caminho que o observador segue através do espaço-tempo (veja efeito Unruh). Também, o conceito de campo parece ser mais fundamental que o conceito de partícula (o qual surge como um meio conveniente para descrever interações localizadas). Este caminho, contudo, não é livre de controvérsia, sendo contrário à forma como a teoria quântica de campo foi desenvolvida por Steven Weinberg no livro Quantum Field Theory.

A gravitação quântica de loop é fruto de um esforço para formular uma teoria quântica independente do arcabouço. A teoria quântica de campo topológica fornece um exemplo de teoria quântica independente do arcabouço, mas com nenhum grau de liberdade local, e somente com finitos graus de liberdade globais. Isto é inadequado para descrever a gravidade em 3+1 dimensões, na qual mesmo no vácuo têm-se graus de liberdade locais de acordo com a relatividade geral. Em 2+1 dimensões, contudo, a gravidade é uma teoria de campo topológica que teve sua quantização bem sucedida de várias maneiras, incluindo redes de spin.

Há três outros pontos de tensão entre a mecânica quântica e a relatividade geral.

Primeiro, a relatividade geral prediz uma quebra de paradigma nas singularidades, e a mecânica quântica se tornaria inconsistente nas vizinhanças das singularidades.

Segundo, não está claro como determinar o campo gravitacional de uma partícula se, em relação ao princípio da incerteza de Heisenberg da mecânica quântica, a localização e velocidade não podem ser conhecidas com precisão absoluta.

Terceiro, há uma tensão, mas não uma contradição lógica, entre a violação da desigualdade de Bell na mecânica quântica, a qual indica uma influência superluminal, e a velocidade da luz como uma velocidade limite na relatividade. A resolução destes dois primeiros pontos deve vir de uma melhor compreensão da relatividade geral [3].

Teorias

Há inúmeras propostas de teoria de gravitação quântica:

• Teoria das cordas
• Supergravitação
• AdS/CFT
• Equação Wheeler-deWitt
• Gravitação quântica de Loop de Ashtekar, Smolin e Rovelli
• Gravitação quântica Euclidiana
• Geometria não comutativa de Alain Connes
• A teoria do "R = T" ( dilaton ) por Robert Mann e Tony Scott
• Teoria Twistor de Roger Penrose
• Gravitação quântica discreta de Lorentzian
• Gravitação induzida Sakharov
• Calculo Regge
• Métrica acústica e outros modelos análogos de gravitação
• Processos Físicos
• Teoria do campo unificado

Ver também

• Evento Centauro
• Teoria-M
• Gravitação semiclassica
• Teoria de campo quântico no espaço tempo curvo
• Processo Físico
• Uma nova idéia, a gravidade gerada pelos átomos.,ou em PDF
• Grávitons

Na cultura popular

A famosa parodia do pós-modernismo por Alan Sokal (veja Sokal Affair) foi intitulada Transgressing the Boundaries: Toward a Transformative Hermeneutics of Quantum Gravity.

Ligações externas

• The shape of things to come New Scientist, 30 de Julho 2005
• Conceito de Massa na Mecânica Relacional e na Relatividade Geral- A. K. T. Assis- Instituto de Física - Unicamp