Será que algum dia uniremos a mecânica quântica com a relatividade geral?

Na maioria das vezes, as perguntas que surgem ao longo do dia são aquelas que todos podemos responder com bastante confiança. Você já almoçou? Você ouviu a nova música de Taylor Swift? É um confessionário sobre um garoto que ela namorou uma vez?

Mas quando começamos a refletir sobre as grandes questões – a que abordamos hoje pergunta se a mecânica quântica e a relatividade geral podem ser reconciliadas – nossa autoconfiança despenca. A mecânica quântica não tem algo a ver com planetas? A relatividade geral é aquela com energia igual a massa vezes a velocidade da luz ao quadrado? Espere, isso era massa ou movimento? Ou minutos. São minutos, não é?

Sem medo. Embora esta pergunta seja extremamente difícil de responder, a pergunta em si é tão simples quanto decifrar a letra de uma estrela pop. Antes de começarmos a resolver o universo insolúvel, vamos quebrar os componentes.

Primeiro vamos abordar a mecânica quântica. E é um bom lugar para começar, porque é o estudo de algo extremamente pequeno -- matéria e radiação nos níveis atômico e subatômico. Foi realmente apenas quando os cientistas começaram a entender os átomos que a velha física regular precisou de uma pequena alteração. Porque, quando os cientistas observaram os átomos, eles não se comportaram como o resto do universo . Por exemplo, os elétrons não orbitam o núcleo como um planeta orbitando o sol - se assim fosse, eles teriam entrado no núcleo [fonte: Stedl ].

Ficou claro que a física clássica não o cortou em escala atômica. Assim, a mecânica quântica surgiu da necessidade de entender como fenômenos muito pequenos agiam de maneira diferente das Grandes Coisas da ciência. O que descobrimos foi que algo como um fóton poderia agir como uma partícula (que transporta massa e energia) e uma onda (que transporta apenas energia). Este é um grande negócio - pode ser duas coisas ao mesmo tempo. E isso significa que as menores partes do universo flutuam dramaticamente e sem nenhuma maneira de saber a localização específica a qualquer momento.

Então agora entendemos que a mecânica quântica essencialmente abriu como pensamos sobre o universo (quando se trata da menor das escalas). As partículas podem ser ondas, por exemplo. Apenas para aumentar a diversão, o princípio da incerteza da mecânica quântica nos diz que não podemos realmente dizer onde uma partícula está ou quão rápido ela está se movendo ao mesmo tempo.

Einstein não estava aceitando. A ideia de que não poderíamos realmente dizer onde uma partícula estava ou o que ela estava fazendo deve ter sido profundamente perturbadora para um físico dedicado a definir a maneira como o universo funcionava – o que Einstein fez, com a teoria da relatividade geral.

Agora não se assuste. A relatividade geral tem duas grandes ideias: uma sobre espaço e tempo, outra sobre gravidade. Como você e eu vemos, o espaço e o tempo estão em segundo plano. Eles são fixos. Eles existem cronologicamente (e meio que monoliticamente). Na relatividade geral, espaço e tempo são uma dimensão unificada (chamada espaço-tempo, convenientemente). Mas aqui está a coisa: o espaço-tempo pode ser grande e unificado, mas não está em segundo plano. A teoria da relatividade geral diz que o espaço-tempo pode ser afetado pela matéria. Isso significa que você – como matéria, existente – está mudando o espaço e o tempo.

Certo, não exatamente. Na verdade, são coisas realmente grandes que estão distorcendo o espaço-tempo. O sol, por exemplo, está curvando o espaço-tempo em direção a ele. E o que isso implicaria? Ah, isso mesmo: planetas menores cairiam em órbita ao redor dele.

O que nos leva à gravidade. De fato, a relatividade geral não era apenas Einstein dando tapinhas nas costas de Newton e dizendo: "Sim, senhor, a gravidade é uma coisa!" Em vez disso, Einstein nos deu uma razão para a gravidade - que a curvatura do espaço-tempo fez a gravidade existir e fez o universo agir da maneira que agia.

Então qual é o problema? Einstein nos mostrou uma maneira alucinante como o universo funciona, e a mecânica quântica nos mostra uma maneira fascinante de como funcionam as partículas em um nível atômico e subatômico. Infelizmente, um não explica o outro. O que significa que deve haver alguma teoria maior que os englobe... ou não?

Não podemos entender como a mecânica quântica e a teoria geral da relatividade podem se reconciliar sem primeiro entender como elas – agora – não o fazem. Porque acontece que nenhum realmente funciona se o outro for verdadeiro.

Einstein disse que o espaço-tempo é uma constante suave e que apenas coisas grandes podem deformá-lo. A mecânica quântica disse que as menores partes do universo estão constantemente, dramaticamente flutuando e mudando.

Se a mecânica quântica estiver correta e tudo estiver em movimento difuso constantemente, então a gravidade não funcionaria da maneira que Einstein previu. O espaço-tempo também teria que estar constantemente em desacordo com tudo ao seu redor e agiria de acordo. Além disso, a mecânica quântica dizia que você não poderia – com certeza – declarar uma ordem definida. Em vez disso, você teve que se contentar com a previsão de probabilidades.

Por outro lado, se a relatividade geral estiver correta, então a matéria não poderia flutuar tão descontroladamente. Você seria, em algum momento, capaz de saber onde está toda a matéria e exatamente para onde ela está indo. O que, novamente, está em desacordo com a mecânica quântica.

Mas tenha certeza de que cientistas, físicos e especialistas em poltrona estão todos tentando desesperadamente encontrar uma maneira de reconciliar os dois. Um dos pioneiros é a teoria das cordas, que diz que em vez de uma partícula agir como um ponto, ela age como uma corda. Isso significa que seria capaz de acenar e mover e fazer loops e geralmente fazer todo tipo de coisa que um ponto não poderia. Também poderia transmitir gravidade em um nível quântico, e a propagação das partículas em uma corda teoricamente faria uma atmosfera menos agitada e menos louca. O que abre a teoria, é claro, para concordar com a relatividade geral. Mas tenha em mente que a teoria das cordas nunca foi confirmada com nenhum experimento - e há muito debate se ela pode ser comprovada.

Se um experimento tão monumental ocorresse, provavelmente aconteceria em um acelerador de partículas. É aí que podemos encontrar superparceiros. (Não, não Batman e Robin). Os superparceiros são uma parte da teoria das cordas que diz que cada partícula tem uma partícula parceira supersimétrica que é instável e que gira de maneira diferente (por exemplo, o elétron e o selectron ou o gráviton e o gravitino). Para nossa sorte, em 2010 encontramos evidências de nosso primeiro bóson de Higgs ao colidir partículas no Grande Colisor de Hádrons , então podemos estar a caminho de provar experimentalmente a teoria das cordas.

O spin também pode nos ajudar a experimentar o emaranhamento quântico , onde os elétrons ficam presos no spin um do outro. É fácil ver em pequenos espaços, mas os cientistas estão trabalhando para enviar fótons ao espaço e voltar para medir como ele funciona em uma grande distância - e curvatura - de espaço e tempo.

Mas também podemos olhar para os buracos negros para descobrir uma Teoria de Tudo (um TOE!). Em um buraco negro, você tem uma coisa muito pesada (uma estrela, à qual a relatividade geral se aplica) e uma coisa muito pequena (a minúscula partícula em que ela é esmagada, o que a mecânica quântica explica). Então, se pudermos determinar o que acontece - ou o que muda - quando o grande fica pequeno, podemos reconciliar a mecânica quântica e a teoria geral da relatividade.

Nota do autor: Será que algum dia uniremos a mecânica quântica com a relatividade geral?

Às vezes, gostaria que a manchete de um artigo fosse apenas um aviso: "Não tenha medo desse assunto". É uma pena que essas Grandes Ideias - as teorias de Einstein, a mecânica quântica - tenham a reputação de estar além da compreensão do público. Claro, a matemática por trás disso está além da maioria de nós, mas pode-se entender as ideias sem ela. Não há dragões na física; não tenha medo de descobrir o que você não sabe.

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