Assim como as interações entre os grãos de areia formam uma superfície lisa na praia, o espaço-tempo que conhecemos pode ser o resultado das relações entre os quarks e seus conglomerados. Crédito:IFJ PAN
A maioria dos físicos acredita que a estrutura do espaço-tempo é formada de uma forma desconhecida na escala de Planck, ou seja, em uma escala próxima a um trilionésimo de um trilionésimo de um metro. Contudo, considerações cuidadosas minam essa previsão. Existem alguns argumentos a favor do surgimento do espaço-tempo como resultado de processos que ocorrem no nível dos quarks e seus conglomerados.
O que é espaço-tempo? O absoluto, arena imutável de eventos? Ou talvez seja uma criação dinâmica, emergindo de alguma forma em uma certa escala de distância, tempo ou energia. Referências ao absoluto não são bem-vindas na física de hoje. É amplamente aceito que o espaço-tempo é emergente. Isso nao esta claro, Contudo, onde ocorre o processo de seu surgimento. A maioria dos físicos tende a supor que o espaço-tempo é criado na escala de Planck, a distâncias próximas a um trilionésimo de um trilionésimo de um metro (~ 10-35 m). Em seu artigo em Fundamentos da Ciência , O professor Piotr Zenczykowski do Instituto de Física Nuclear da Academia Polonesa de Ciências (IFJ PAN) em Cracóvia sistematiza as observações de muitos autores sobre a formação do espaço-tempo, e argumenta que a hipótese sobre sua formação na escala de quarks e hadrons (ou agregados de quark) é bastante sensata por uma série de razões.
Questões sobre a natureza do espaço e do tempo intrigam a humanidade desde, pelo menos, a antiguidade. São o espaço e o tempo separados da matéria, criando um "contêiner" para movimentos e eventos que ocorrem com a participação de partículas, como Democrit proposto no século 5 AC? Ou talvez sejam atributos da matéria e não poderiam existir sem ela, como Aristóteles sugeriu um século depois? Apesar da passagem dos milênios, esses problemas ainda não foram resolvidos. Além disso, ambas as abordagens, embora contraditório, estão profundamente enraizados nos pilares da física moderna.
Na mecânica quântica, os eventos acontecem em uma arena rígida com tempo de fluxo uniforme. Enquanto isso, na teoria geral da relatividade, a matéria deforma o espaço-tempo elástico (esticando-o e torcendo-o), e o espaço-tempo diz às partículas como se mover. Em outras palavras, em uma teoria, os atores entram em um estágio já preparado para desempenhar seus papéis, enquanto no outro, eles criam a cenografia durante a performance, o que, por sua vez, influencia seu comportamento.
Em 1899, O físico alemão Max Planck notou que, com certas combinações de algumas constantes da natureza, unidades muito fundamentais de medida poderiam ser obtidas. Apenas três constantes - a velocidade da luz c, a constante gravitacional G e a constante de Planck h - foram suficientes para criar unidades de distância, tempo e massa, igual (respectivamente) a 1,62 · 10 -35 m, 5,39 · 10 -44 se 2,18 · 10 -5 g. De acordo com a crença predominante de hoje, o espaço-tempo seria criado no comprimento de Planck. Na verdade, não há argumentos substantivos para a racionalidade dessa hipótese.
Nossos experimentos mais sofisticados e descrições teóricas alcançam a escala de quarks, ou seja, o nível de 10 -18 m. Então, como sabemos que ao longo do caminho até a extensão de Planck - mais de uma dúzia consecutiva, ordens de magnitude cada vez menores - o espaço-tempo mantém sua estrutura? Na verdade, nem mesmo temos certeza se o conceito de espaço-tempo é racional no nível dos hádrons! As divisões não podem ser realizadas indefinidamente, porque em algum estágio a questão da próxima parte menor simplesmente deixa de fazer sentido. Um exemplo perfeito aqui é a temperatura. Este conceito funciona muito bem em uma escala macro, mas quando, após as divisões subsequentes da matéria, alcançamos a escala de partículas individuais, perde sua razão de ser.
"Atualmente, primeiro procuramos construir um quantizado, espaço-tempo discreto, e então "povoá-lo" com matéria discreta. Contudo, se o espaço-tempo fosse um produto de quarks e hadrons, a dependência seria revertida - o caráter discreto da matéria deve, então, impor a discrição do espaço-tempo, "diz o Prof. Zenczykowski." Planck foi guiado pela matemática. Ele queria criar unidades a partir do menor número de constantes possíveis. Mas a matemática é uma coisa, e a relação com o mundo real é outra. Por exemplo, o valor da massa de Planck parece suspeito. Seria de se esperar que tivesse um valor um pouco mais característico para o mundo dos quanta. Enquanto isso, corresponde a aproximadamente um décimo da massa de uma pulga, que é certamente um objeto clássico. "
Já que queremos descrever o mundo físico, devemos nos inclinar para argumentos físicos em vez de matemáticos. Então, ao usar as equações de Einstein, descrevemos o universo em grandes escalas, e torna-se necessário introduzir uma constante gravitacional adicional, conhecida como a constante cosmológica Lambda. Portanto, ao construir unidades fundamentais, se expandirmos o conjunto original de três constantes por Lambda, no caso de massas, obtemos não um, mas três valores fundamentais:1,39 · 10 -65 g, 2,14 · 10 56 g, e 0,35 · 10 -24 g. O primeiro deles pode ser interpretado como um quantum de massa, o segundo está no nível da massa do universo observável, e o terceiro é semelhante às massas de hádrons (por exemplo, a massa de um nêutron é 1,67 · 10 -24 g). De forma similar, depois de levar Lambda em consideração, uma unidade de distância de 6,37 · 10- 15 m aparece, muito próximo do tamanho dos hádrons.
"Jogando com constantes, Contudo, pode ser arriscado, porque muito depende de quais constantes escolhemos. Por exemplo, se o espaço-tempo era de fato um produto de quarks e hadrons, então suas propriedades, incluindo a velocidade da luz, também deve ser emergente. Isso significa que a velocidade da luz não deve estar entre as constantes básicas, "diz o Prof. Zenczykowski.
Outro fator a favor da formação do espaço-tempo na escala de quarks e hádrons são as propriedades das próprias partículas elementares. Por exemplo, o modelo padrão não explica por que existem três gerações de partículas, de onde vêm suas massas, ou porque existem os chamados números quânticos internos, que incluem isospin, hipercarga e cor. Na foto apresentada pelo Prof. Zenczykowski, esses valores podem ser vinculados a um certo espaço de seis dimensões criado pelas posições das partículas e seus momentos. O espaço assim construído atribui a mesma importância às posições das partículas (matéria) e seus movimentos (processos). Acontece que as propriedades das massas ou números quânticos internos podem ser uma consequência das propriedades algébricas do espaço 6-D. O que mais, essas propriedades também explicariam a incapacidade de observar quarks livres.
"O surgimento do espaço-tempo pode estar associado a mudanças na organização da matéria ocorrendo em uma escala de quarks e hádrons no nível mais primário, espaço de fase de seis dimensões. Contudo, não está muito claro o que fazer a seguir com esta imagem. Cada etapa subsequente exigiria ir além do que sabemos. E nem mesmo sabemos as regras do jogo que a natureza está jogando conosco - ainda temos que adivinhá-las. Contudo, parece muito razoável que todas as construções comecem com matéria, porque é algo físico e experimentalmente disponível. Nesta abordagem, o espaço-tempo seria apenas a nossa idealização das relações entre os elementos da matéria, "diz o Prof. Zenczykowski.
