O físico que aposta que a gravidade não pode ser quantificada | Revista Quanta

A maioria dos físicos espera que, quando ampliamos o tecido da realidade, a estranheza não intuitiva da mecânica quântica persista até as menores escalas. Mas nessas configurações, a mecânica quântica colide com a gravidade clássica de uma forma decididamente incompatível.

Assim, por quase um século, os teóricos tentaram criar uma teoria unificada quantificando a gravidade ou esculpindo-a de acordo com as regras da mecânica quântica. Eles ainda não conseguiram.

Jonathan Oppenheim, que dirige um programa explorando alternativas pós-quânticas na University College London, suspeita que seja porque a gravidade simplesmente não pode ser espremida em uma caixa quântica. Talvez, argumenta ele, nossa presunção de que ela deva ser quantizada esteja errada. “Essa visão está arraigada”, disse ele. “Mas ninguém sabe qual é a verdade.”

As teorias quânticas são baseadas em probabilidades e não em certezas. Por exemplo, quando você mede uma partícula quântica, não pode prever exatamente onde a encontrará, mas pode prever a probabilidade de encontrá-la em um determinado local. Além disso, quanto mais certeza você tem sobre a localização de uma partícula, menos certeza você tem sobre seu momento. Ao longo do século 20, os físicos gradualmente entenderam o eletromagnetismo e outras forças usando essa estrutura. 

Mas quando eles tentaram quantificar a gravidade, eles se depararam com infinitos não naturais que tiveram que ser contornados com truques matemáticos desajeitados.

 Os problemas surgem porque a gravidade é resultado do próprio espaço-tempo, e não de algo que age sobre ele. Então, se a gravidade é quantizada, isso significa que o espaço-tempo também é quantizado. Mas isso não funciona, porque a teoria quântica só faz sentido contra um pano de fundo clássico do espaço-tempo - você não pode adicionar e depois desenvolver estados quânticos em cima de uma base incerta. 

Para lidar com esse profundo conflito conceitual, a maioria dos teóricos recorreu à teoria das cordas, que imagina que a matéria e o espaço-tempo emergem de minúsculas cordas vibrantes. Uma facção menor procurou dar um loop na gravidade quântica, que substitui o espaço-tempo suave da relatividade geral de Einstein por uma rede de loops interligados. Em ambas as teorias, nosso mundo clássico familiar de alguma forma emerge desses blocos de construção fundamentalmente quânticos. 

Oppenheim era originalmente um teórico das cordas, e os teóricos das cordas acreditam na primazia da mecânica quântica. Mas ele logo se sentiu incomodado com as elaboradas acrobacias matemáticas que seus colegas realizavam para enfrentar um dos problemas mais notórios da física moderna: a paradoxo da informação do buraco negro. 

Em 2017, Oppenheim começou a buscar alternativas que evitassem o paradoxo da informação, tomando os mundos quântico e clássico como alicerces. Ele tropeçou em alguns esquecidos pesquisa no clássico quântico teorias híbridas desde a década de 1990, que ele tem sido estendendo e explorar desde então. Ao estudar como os mundos clássico e quântico se inter-relacionam, Oppenheim espera encontrar uma teoria mais profunda que não seja nem quântica nem clássica, mas algum tipo de híbrido. “Muitas vezes colocamos todos os nossos ovos em algumas cestas, quando há muitas possibilidades”, disse ele. 

Para reforçar seu ponto de vista, Oppenheim recentemente fez uma aposta de Geoff Penington e Carlos Rovelli — líderes em seus respectivos campos de teoria das cordas e gravidade quântica em loop. As probabilidades? 5,000 para 1. Se o palpite de Oppenheim estiver correto e o espaço-tempo não for quantizado, ele pode ganhar baldes de batatas fritas, plástico colorido bolas de bazinga, ou shots de azeite, a seu critério — desde que cada item custe no máximo 20 pence (cerca de 25 centavos).

Nós nos encontramos em um café no norte de Londres cheio de livros, onde ele calmamente desfez suas preocupações sobre o status quo da gravidade quântica e exaltou a surpreendente beleza dessas alternativas híbridas. “Eles levantam todos os tipos de questões notavelmente sutis”, disse ele. “Eu realmente perdi meus pés tentando entender esses sistemas.” Mas ele persevera. 

“Quero minhas 5,000 bolas de bazinga.”

A entrevista foi condensada e editada para maior clareza.

Por que a maioria dos teóricos tem tanta certeza de que o espaço-tempo é quantizado?

Tornou-se dogma. Todos os outros campos da natureza são quantizados. Há uma sensação de que não há nada de especial na gravidade – é apenas um campo como qualquer outro – e, portanto, devemos quantificá-la.

A gravidade é especial em sua opinião?

Sim. Os físicos definem todas as outras forças em termos de campos que evoluem no espaço-tempo. A gravidade sozinha nos fala sobre a geometria e a curvatura do próprio espaço-tempo. Nenhuma das outras forças descreve a geometria de fundo universal em que vivemos como a gravidade.

No momento, nossa melhor teoria da mecânica quântica usa essa estrutura de fundo do espaço-tempo – que a gravidade define. E se você realmente acredita que a gravidade é quantizada, então perdemos essa estrutura de fundo.

Que tipos de problemas você enfrenta se a gravidade é clássica e não quantizada?

Por muito tempo, a comunidade acreditou que era logicamente impossível que a gravidade fosse clássica porque o acoplamento de um sistema quântico com um sistema clássico levaria a inconsistências. Na década de 1950, Richard Feynman imaginou uma situação que iluminou o problema: ele começou com uma partícula massiva que está em uma superposição de dois locais diferentes. Esses locais podem ser dois orifícios em uma folha de metal, como no famoso experimento da dupla fenda. Aqui, a partícula também se comporta como uma onda. Ele cria um padrão de interferência de listras claras e escuras do outro lado das fendas, o que impossibilita saber por qual fenda ele passou. Em relatos populares, a partícula às vezes é descrita como passando por ambas as fendas ao mesmo tempo.

Mas como a partícula tem massa, ela cria um campo gravitacional que podemos medir. E esse campo gravitacional nos diz sua localização. Se o campo gravitacional for clássico, podemos medi-lo com precisão infinita, inferir a localização da partícula e determinar por qual fenda ela passou. Então temos uma situação paradoxal - o padrão de interferência nos diz que não podemos determinar por qual fenda a partícula passou, mas o campo gravitacional clássico nos permite fazer exatamente isso.

Mas se o campo gravitacional é quântico, não há paradoxo - a incerteza se insinua ao medir o campo gravitacional e, portanto, ainda temos incerteza ao determinar a localização da partícula.

Então, se a gravidade se comporta de maneira clássica, você acaba sabendo demais. E isso significa que ideias acalentadas da mecânica quântica, como a superposição, se desfazem?

Sim, o campo gravitacional sabe demais. Mas há uma brecha no argumento de Feynman que poderia permitir que a gravidade clássica funcionasse.

O que é essa brecha?

Do jeito que está, só sabemos qual caminho a partícula tomou porque ela produz um campo gravitacional definido que dobra o espaço-tempo e nos permite determinar a localização da partícula. 

Mas se essa interação entre a partícula e o espaço-tempo for aleatória – ou imprevisível – então a própria partícula não dita completamente o campo gravitacional. O que significa que a medição do campo gravitacional nem sempre determinará por qual fenda a partícula passou porque o campo gravitacional pode estar em um dos muitos estados. A aleatoriedade se insinua e você não tem mais um paradoxo.

Então, por que mais físicos não acham que a gravidade é clássica?

Bem, é logicamente possível ter uma teoria em que não quantizemos todos os campos. Mas para uma teoria clássica da gravidade ser consistente com tudo o mais que está sendo quantizado, então a gravidade tem que ser fundamentalmente aleatória. Para muitos físicos, isso é inaceitável.

Por quê?

Os físicos gastam muito tempo tentando descobrir como a natureza funciona. Portanto, a ideia de que existe, em um nível muito profundo, algo inerentemente imprevisível é preocupante para muitos.

O resultado das medições dentro da teoria quântica parece ser probabilístico. Mas muitos físicos preferem pensar que o que aparece como aleatoriedade é apenas o sistema quântico e o aparato de medição interagindo com o ambiente. Eles não o veem como uma característica fundamental da realidade.

O que você está propondo em vez disso?

Meu melhor palpite é que a próxima teoria da gravidade não será nem completamente clássica nem completamente quântica, mas algo completamente diferente.

Os físicos estão sempre apresentando modelos que se aproximam da natureza. Mas, como uma tentativa de aproximação mais próxima, meus alunos e eu construímos uma teoria totalmente consistente na qual os sistemas quânticos e o espaço-tempo clássico interagem. Nós apenas tivemos que modificar um pouco a teoria quântica e modificar um pouco a relatividade geral clássica para permitir a quebra de previsibilidade necessária.

Por que você começou a trabalhar nessas teorias híbridas?

Fui motivado pelo paradoxo da informação do buraco negro. Quando você joga uma partícula quântica em um buraco negro e deixa esse buraco negro evaporar, você encontra um paradoxo se acredita que os buracos negros preservam informações. A teoria quântica padrão exige que qualquer objeto que você jogue no buraco negro seja irradiado de volta de alguma forma embaralhada, mas reconhecível. Mas isso viola a relatividade geral, que nos diz que você nunca pode saber sobre os objetos que cruzam o horizonte de eventos do buraco negro.

Mas se o processo de evaporação do buraco negro é indeterminístico, então não há paradoxo. Nunca descobrimos o que foi jogado no buraco negro porque a previsibilidade falha. A relatividade geral é segura.

Então, o ruído nessas teorias híbridas quânticas-clássicas permite que informações sejam perdidas?

Exatamente. 

Mas a conservação da informação é um princípio fundamental na mecânica quântica. Perder isso não pode ser facilmente aceito por muitos teóricos.

Isso é verdade. Houve grandes debates sobre isso nas últimas décadas, e quase todo mundo passou a acreditar que a evaporação do buraco negro é determinística. Eu sempre fico intrigado com isso.

Os experimentos resolverão se a gravidade é quantizada ou não?

Em algum ponto. Ainda não sabemos quase nada sobre a gravidade nas menores escalas. Nem sequer foi testado em escala milimétrica, muito menos na escala de um próton. Mas há alguns experimentos interessantes chegando online que farão isso.

Uma é uma versão moderna do “experimento de Cavendish”, que calcula a força da atração gravitacional entre duas esferas de chumbo. Se houver aleatoriedade no campo gravitacional, como nesses híbridos quântico-clássicos, quando tentarmos medir sua força nem sempre obteremos a mesma resposta. O campo gravitacional vai balançar. Qualquer teoria em que a gravidade é fundamentalmente clássica tem um certo nível de ruído gravitacional.

Como você sabe que essa aleatoriedade é intrínseca ao campo gravitacional e não algum ruído do ambiente?

Você não. A gravidade é uma força tão fraca que até mesmo os melhores experimentos já têm muita oscilação. Portanto, você deve eliminar todas essas outras fontes de ruído o máximo possível. O que é empolgante é que meus alunos e eu mostramos que, se essas teorias híbridas são verdadeiras, deve haver uma quantidade mínima de ruído gravitacional. Isso pode ser medido estudando átomos de ouro em um experimento de fenda dupla. Esses experimentos já colocam limites sobre se a gravidade é fundamentalmente clássica. Estamos gradualmente nos aproximando da quantidade de indeterminação permitida.

Por outro lado, há algum experimento que prove que a gravidade é quantizada?

Tem experimentos propostos que buscam o emaranhamento mediado pelo campo gravitacional. Como o emaranhamento é um fenômeno quântico, isso seria um teste direto da natureza quântica da gravidade. Esses experimentos são muito empolgantes, mas provavelmente daqui a décadas.