A teoria geral da relatividade de Einstein mostra que a gravidade é o resultado de uma massa, como um planeta ou uma estrela, distorcendo a geometria da fusão do tempo e do espaço conhecida como espaço-tempo. A nave espacial Gravity Probe B da NASA, mostrada na ilustração deste artista, mediu exatamente quanto a gravidade da Terra distorceu o espaço-tempo em torno dela, justificando finalmente os cálculos de Einstein.
NASA
Autor: Tom Siegfried
Tradução: Alisson Souza
Rod Serling sabia tudo sobre dimensões.
Sua Twilight Zone era uma dimensão da imaginação, uma dimensão da visão, do som e da mente, uma dimensão tão vasta quanto o espaço e intemporal como o infinito. Tudo ficou muito claro, exceto pela parte do espaço e do tempo, as dimensões da vida real. Serling nunca os explicou.
É claro que, desde Einstein, os cientistas também começaram a coçar a cabeça para entender o espaço e o tempo. Antes disso, quase todo mundo achava que Isaac Newton havia entendido tudo. O tempo "flui de maneira uniforme sem relação com qualquer coisa externa", declarou ele. O espaço absoluto também é coisa sua, “sempre semelhante e imóvel”. Nada a ver ali. Os eventos da realidade física eram realizados independentemente em um estágio neutro, onde os atores se exibiam e se agitavam sem influenciar o resto do teatro.
Mas as teorias de Einstein transformaram o espaço e o tempo absolutos de Newton em uma mistura relativista - suas equações sugeriam um espaço-tempo mesclado, um novo tipo de arena em que os jogadores alteravam o espaço do campo de jogo. Foi um trocador de física. O espaço e o tempo não mais forneciam um pano de fundo sem características para matéria e energia. Anteriormente independentes e uniformes, o espaço e o tempo tornaram-se inseparáveis e variáveis. E, como Einstein mostrou em sua teoria geral da relatividade, a matéria e a energia distorciam o espaço-tempo que as cercava. Essa verdade simples (ha!) Explicava a gravidade. A aparente força de atração de Newton tornou-se uma ilusão perpetrada pela geometria espaço-temporal. Era a forma do espaço-tempo que ditava o movimento de corpos massivos, uma justiça simétrica, já que corpos massivos determinavam a forma do espaço-tempo.
A verificação da revolução do espaço-tempo de Einstein veio há um século, quando uma expedição eclipse confirmou a previsão principal de sua teoria geral (uma quantidade precisa de curvatura da luz passando perto da borda de um corpo massivo, neste caso o Sol). Mas o espaço-tempo permaneceu misterioso. Como era algo em vez de nada, era natural imaginar de onde vinha.
Agora, uma nova revolução está prestes a responder a essa pergunta, baseada em insights de outras grandes surpresas da física do século passado: a mecânica quântica. A revolução de hoje oferece o potencial para mais uma reescrita do currículo do espaço-tempo, com o bônus de talvez explicar por que a mecânica quântica parece tão estranha.
“O espaço-tempo e a gravidade devem emergir de alguma outra coisa”, escreve o físico Brian Swingle na Revisão Anual de Física da Matéria Condensada de 2018. Caso contrário, é difícil ver como a gravidade de Einstein e a matemática da mecânica quântica podem conciliar sua incompatibilidade de longa data. A visão de Einstein da gravidade como a manifestação da geometria do espaço-tempo foi enormemente bem-sucedida. Mas também tem sido a mecânica quântica, que descreve as maquinações de matéria e energia em escala atômica com precisão infalível. Tentativas de encontrar matemática coerente que acomodasse a esquisitice quântica com a gravidade geométrica, no entanto, encontraram obstáculos técnicos e conceituais formidáveis.
Pelo menos há muito tempo para tentativas de entender o espaço-tempo ordinário. Mas pistas para um possível caminho para o progresso emergiram do estudo teórico de geometrias alternativas de espaço-tempo, pensáveis em princípio mas com propriedades incomuns. Um desses suplentes, conhecido como espaço anti de Sitter, é estranhamente curvo e tende a desmoronar sobre si mesmo, em vez de se expandir à medida que o universo em que vivemos o faz. Não seria um bom lugar para se viver. Mas, como laboratório para estudar teorias da gravidade quântica, tem muito a oferecer. "A gravidade quântica é suficientemente rica e confusa, e até universos de brinquedo podem lançar uma enorme luz sobre a física", escreve Swingle, da Universidade de Maryland.
Um tipo estranho de espaço-tempo com curvatura incomum conhecido como espaço anti de Sitter, ilustrado aqui, não se parece em nada com o universo em que vivemos, mas poderia fornecer pistas sobre os processos quânticos que podem ser responsáveis pela produção do espaço-tempo normal.
U. Moschella / Seminaire Poincaré 2005
Estudos do espaço anti de Sitter sugerem, por exemplo, que a matemática que descreve a gravidade (isto é, a geometria do espaço-tempo) pode ser equivalente à matemática da física quântica em um espaço de uma dimensão a menos. Pense em um holograma - uma superfície plana e bidimensional que incorpora uma imagem tridimensional. De maneira semelhante, talvez a geometria quadridimensional do espaço-tempo pudesse ser codificada na matemática da física quântica operando em três dimensões. Ou talvez você precise de mais dimensões - quantas dimensões são necessárias é parte do problema a ser resolvido.
Em qualquer caso, as investigações ao longo destas linhas revelaram uma possibilidade surpreendente: o próprio espaço-tempo pode ser gerado pela física quântica, especificamente pelo desconcertante fenômeno conhecido como entrelaçamento quântico.
Como explicado popularmente, o emaranhamento é uma conexão assustadora que liga partículas separadas mesmo por grandes distâncias. Se emitidos a partir de uma fonte comum, essas partículas permanecem emaranhadas, não importa o quão longe elas voem umas das outras. Se você mede uma propriedade (como spin ou polarização) para um deles, então você sabe qual seria o resultado da mesma medida para o outro. Mas antes da medição, essas propriedades ainda não estão determinadas, fato contraintuitivo verificado por muitos experimentos. Parece que a medição em um lugar determina qual será a medida em outro local distante.
Isso soa como partículas emaranhadas deve ser capaz de se comunicar mais rápido que a luz. Caso contrário, é impossível imaginar como um deles poderia saber o que estava acontecendo com o outro através de um vasto espaço-tempo. Mas eles na verdade não enviam nenhuma mensagem. Então, como as partículas emaranhadas transcendem o abismo espaço-temporal que as separa? Talvez a resposta seja que eles não precisam - porque o emaranhamento não acontece no espaço-tempo. O entrelaçamento cria espaço-tempo.
Pelo menos essa é a proposta que a pesquisa atual nos universos de brinquedos inspirou. "O surgimento do espaço-tempo e da gravidade é um fenômeno misterioso da física quântica de muitos corpos que gostaríamos de entender", sugere Swingle em seu artigo da Annual Review. Esforços vigorosos de vários físicos de primeira linha produziram evidências teóricas de que redes de estados quânticos emaranhados tecem o tecido espaço-tempo. Esses estados quânticos são frequentemente descritos como “qubits” - bits de informação quântica (como bits de computador comuns, mas existentes em uma mistura de 1 e 0, não simplesmente 1 ou 0). Qubits emaranhados criam redes com geometria no espaço com uma dimensão extra além do número de dimensões em que os qubits vivem. Assim, a física quântica de qubits pode então ser igualada à geometria de um espaço com uma dimensão extra. O melhor de tudo é que a geometria criada pelos qubits entrelaçados pode muito bem obedecer às equações da relatividade geral de Einstein que descrevem o movimento devido à gravidade - pelo menos os últimos pontos de pesquisa nessa direção. “Aparentemente, uma geometria com as propriedades certas construídas a partir do emaranhamento deve obedecer às equações gravitacionais do movimento”, escreve Swingle. "Este resultado justifica ainda mais a alegação de que o espaço-tempo surge do emaranhamento".
Ainda assim, resta mostrar que as pistas encontradas em universos de brinquedo com dimensões extras levarão à verdadeira história do espaço-tempo ordinário em que os físicos reais se defendem e se preocupam. Ninguém realmente sabe exatamente quais processos quânticos no mundo real seriam responsáveis por tecer o tecido do espaço-tempo. Talvez algumas das suposições feitas nos cálculos até agora se tornem defeituosas. Mas pode ser que a física esteja à beira de investigar mais profundamente as fundações da natureza do que nunca, em uma existência que contém dimensões do espaço e do tempo (ou visão e som) anteriormente desconhecidas e que podem acabar transformando a Twilight Zone em Reality TV.
