Uma teoria radical que unifica consistentemente a gravidade e a mecânica quântica, preservando ao mesmo tempo o conceito clássico de espaço-tempo de Einstein, foi anunciada em dois artigos publicados simultaneamente por físicos da UCL (University College London).



A física moderna baseia-se em dois pilares:a teoria quântica, por um lado, que governa as menores partículas do universo, e a teoria da relatividade geral de Einstein, por outro, que explica a gravidade através da curvatura do espaço-tempo. Mas estas duas teorias estão em contradição entre si e uma reconciliação permaneceu ilusória durante mais de um século.

A suposição predominante tem sido a de que a teoria da gravidade de Einstein deve ser modificada, ou "quantizada", para se enquadrar na teoria quântica. Esta é a abordagem de dois principais candidatos para uma teoria quântica da gravidade, a teoria das cordas e a gravidade quântica em loop.

Mas uma nova teoria, desenvolvida pelo professor Jonathan Oppenheim (UCL Physics &Astronomy) e exposta em um artigo na Physical Review X, desafia esse consenso e adota uma abordagem alternativa ao sugerir que o espaço-tempo pode ser clássico – isto é, não governado de forma alguma pela teoria quântica.

Em vez de modificar o espaço-tempo, a teoria - apelidada de "teoria pós-quântica da gravidade clássica" - modifica a teoria quântica e prevê uma quebra intrínseca na previsibilidade que é mediada pelo próprio espaço-tempo. Isto resulta em flutuações aleatórias e violentas no espaço-tempo que são maiores do que o previsto na teoria quântica, tornando o peso aparente dos objetos imprevisível se medido com precisão suficiente.

Um segundo artigo, publicado simultaneamente na Nature Communications e liderado pelo ex-Ph.D. do Professor Oppenheim. estudantes, analisa algumas das consequências da teoria e propõe uma experiência para testá-la:medir uma massa com muita precisão para ver se o seu peso parece flutuar ao longo do tempo.

Por exemplo, o Bureau Internacional de Pesos e Medidas na França pesa rotineiramente uma massa de 1kg, que costumava ser o padrão de 1kg. Se as flutuações nas medições desta massa de 1 kg forem menores do que o necessário para a consistência matemática, a teoria pode ser descartada.

O resultado do experimento, ou outras evidências emergentes que confirmariam a natureza quântica versus a natureza clássica do espaço-tempo, é o assunto de uma aposta de probabilidades de 5.000:1 entre o Professor Oppenheim e o Professor Carlo Rovelli e o Dr. gravidade e teoria das cordas, respectivamente.

Nos últimos cinco anos, o grupo de investigação da UCL tem testado a teoria e explorado as suas consequências.

O professor Oppenheim disse:"A teoria quântica e a teoria da relatividade geral de Einstein são matematicamente incompatíveis entre si, por isso é importante compreender como esta contradição é resolvida. Deveríamos o espaço-tempo ser quantizado, ou deveríamos modificar a teoria quântica, ou é algo completamente diferente? Agora que temos uma teoria fundamental consistente em que o espaço-tempo não é quantizado, ninguém sabe."

Coautor Zach Weller-Davies, que é Ph.D. estudante da UCL ajudou a desenvolver a proposta experimental e fez contribuições importantes para a própria teoria, disse:"Esta descoberta desafia nossa compreensão da natureza fundamental da gravidade, mas também oferece caminhos para sondar sua natureza quântica potencial.

“Mostrámos que se o espaço-tempo não tem uma natureza quântica, então deve haver flutuações aleatórias na curvatura do espaço-tempo que têm uma assinatura particular que pode ser verificada experimentalmente.

"Tanto na gravidade quântica quanto na gravidade clássica, o espaço-tempo deve estar passando por flutuações violentas e aleatórias ao nosso redor, mas em uma escala que ainda não fomos capazes de detectar. Mas se o espaço-tempo é clássico, as flutuações têm que ser maiores do que um certa escala, e essa escala pode ser determinada por outro experimento onde testamos por quanto tempo podemos colocar um átomo pesado em superposição em dois locais diferentes."

Os co-autores Dr. Carlo Sparaciari e Dra. Barbara Šoda, cujos cálculos analíticos e numéricos ajudaram a orientar o projeto, expressaram esperança de que esses experimentos possam determinar se a busca por uma teoria quântica da gravidade é a abordagem correta.

Šoda (anteriormente UCL Physics &Astronomy, agora no Perimeter Institute of Theoretical Physics, Canadá) disse:"Como a gravidade se manifesta através da curvatura do espaço e do tempo, podemos pensar na questão em termos de se a taxa em qual o tempo flui tem uma natureza quântica, ou natureza clássica.

“E testar isso é quase tão simples quanto testar se o peso de uma massa é constante ou parece flutuar de uma maneira específica”.

Sparaciari (UCL Física e Astronomia) disse:“Embora o conceito experimental seja simples, a pesagem do objeto precisa ser realizada com extrema precisão.

“Mas o que acho interessante é que, partindo de suposições muito gerais, podemos provar uma relação clara entre duas quantidades mensuráveis ​​– a escala das flutuações do espaço-tempo e por quanto tempo objetos como átomos ou maçãs podem ser colocados em superposição quântica de dois locais diferentes. . Podemos então determinar essas duas quantidades experimentalmente."

Weller-Davies acrescentou:"Deve existir uma interação delicada se partículas quânticas, como os átomos, forem capazes de dobrar o espaço-tempo clássico. Deve haver uma compensação fundamental entre a natureza ondulatória dos átomos e o tamanho das flutuações aleatórias no espaço-tempo. ."

A proposta de testar se o espaço-tempo é clássico procurando flutuações aleatórias na massa é complementar a outra proposta experimental que visa verificar a natureza quântica do espaço-tempo procurando algo chamado "emaranhamento mediado gravitacionalmente".

O professor Sougato Bose (UCL Física e Astronomia), que não esteve envolvido no anúncio de hoje, mas foi um dos primeiros a propor o experimento de emaranhamento, disse:"Experimentos para testar a natureza do espaço-tempo exigirão um esforço em grande escala, mas eles são de enorme importância do ponto de vista da compreensão das leis fundamentais da natureza. Acredito que estas experiências estão ao nosso alcance – estas coisas são difíceis de prever, mas talvez saibamos a resposta nos próximos 20 anos."

A teoria pós-quântica tem implicações além da gravidade. O infame e problemático “postulado de medição” da teoria quântica não é necessário, uma vez que as superposições quânticas necessariamente se localizam através de sua interação com o espaço-tempo clássico.

A teoria foi motivada pela tentativa do Professor Oppenheim de resolver o problema da informação do buraco negro. De acordo com a teoria quântica padrão, um objeto que entra em um buraco negro deveria ser irradiado de volta de alguma forma, pois a informação não pode ser destruída, mas isso viola a relatividade geral, que diz que nunca se pode saber sobre objetos que cruzam o horizonte de eventos do buraco negro. A nova teoria permite que a informação seja destruída, devido a uma quebra fundamental na previsibilidade.

Mais informações: Uma teoria pós-quântica da gravidade clássica?, Revisão Física X (2023). journals.aps.org/prx/abstract/… 3/PhysRevX.13.041040 . No arXiv :DOI:10.48550/arxiv.1811.03116
Jonathan Oppenheim et al, Decoerência induzida gravitacionalmente versus difusão espaço-tempo:testando a natureza quântica da gravidade, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-43348-2. www.nature.com/articles/s41467-023-43348-2

Informações do diário: Revisão Física X

Fornecido pela University College London