Pela primeira vez, uma formalização matemática demonstra que a teoria da relatividade geral de Einstein, que explica a relação entre espaço, tempo e gravidade, está alinhada com a física quântica — o ramo da ciência que descreve o comportamento de elétrons, fótons e outras partículas fundamentais.
“Provamos que a equação de campo de Einstein da relatividade geral é, na verdade, uma equação da mecânica quântica relativística”, observam os pesquisadores.
Essas equações propostas pelos pesquisadores tem potencial para explicar e unir propriedades que governam o mundo macroscópico com a do mundo microscópico, desde no espaço cosmológico até os fótons emitidos pela lanterna do seu telefone, e o comportamento das partículas subatômicas.
O sistema de equações foi desenvolvido por Cientistas da Universidade de Khon Kaen na Tailândia e da Universidade de Ciência e Tecnologia de Nanjing na China. Publicada na revista Astroplarticle Physics, a estrutura matemática é a primeira a demonstrar que a teoria da relatividade geral de Einstein, que descreve o universo em grande escala, está alinhada com a mecânica quântica, que descreve o comportamento da matéria em escalas subatômicas.
Por que a desconexão entre a relatividade e o mundo quântico?
A teoria da relatividade geral de Einstein explica como a gravidade funciona. Ela diz que objetos massivos como planetas, estrelas ou galáxias dobram o tecido do espaço e do tempo ao redor deles, como uma bola pesada em um trampolim. Essa dobra cria o que sentimos como gravidade.
Então, em vez de pensar na gravidade como uma força invisível puxando objetos juntos, a relatividade geral mostra que os objetos se movem ao longo de curvas no espaço deformado ao redor deles.
Quanto mais massivo o objeto, mais ele curva o espaço, e mais forte o efeito gravitacional.
A física quântica, por outro lado, se preocupa com o estudo do comportamento incomum das menores partículas do universo.
Por exemplo, ele investiga como partículas como elétrons podem existir em múltiplos estados ou locais ao mesmo tempo (superposição) até que os medimos. Esse tipo de comportamento estranho não é encontrado nos objetos com os quais lidamos regularmente.
Até agora, os cientistas falharam em reconciliar a relatividade geral e a física quântica porque as duas teorias descrevem o universo de maneiras fundamentalmente diferentes. Quando foram feitas tentativas de aplicar ambas as teorias juntas — como no caso dos buracos negros —, elas produziram resultados contraditórios, dificultando sua unificação em uma única estrutura.
Por exemplo, a relatividade geral prevê que o núcleo de um buraco negro é
infinitamente denso , enquanto a física quântica sugere que tais infinitos não podem existir.
O desencontro entre as teorias acontece quando tentamos conciliar essa visão geométrica e contínua do espaço-tempo com a natureza fragmentada e probabilística da física quântica. Outro exemplo são os buracos negros. Ao contrário da teoria de Einstein, a mecânica quântica sugere que a informação que cai nessa região do espaço não pode ser destruída, criando um conflito com a relatividade geral, conhecido como paradoxo da informação.
Como unir as duas propostas, e por que precisamos tentar unir física quântica e relatividade?
Primeiro, combiná-los forneceria uma compreensão completa do universo em todas as escalas.
Isso é importante porque muitos conceitos como buracos negros ou o Big Bang são provavelmente resultados das condições em que tanto a física quântica quanto a relatividade geral
desempenharam um papel . Entendê-los requer uma teoria que integre ambos.
Em segundo lugar, não é possível entender completamente a ciência por trás da gravidade quântica, da radiação de Hawking,
da teoria das cordas e de vários outros fenômenos sem conectar os pontos entre a teoria da relatividade geral e a física quântica.
A Estratégia para unir relatividade geral e física quântica: Constantes da escala de Planck
Para conectá-los, os pesquisadores desenvolveram uma estrutura matemática que “redefiniu a massa e a carga dos léptons (partículas fundamentais) em termos das interações entre a energia do campo e a curvatura do espaço-tempo”.
Ela “redefiniu a massa e a carga dos léptons [partículas fundamentais] em termos das interações entre a energia do campo e a curvatura do espaço-tempo”.
A massa e a carga dos léptons deixam de ser vistas como características fixas e isoladas, passando a ser reinterpretadas como uma consequência das interações entre a energia dos campos quânticos e a curvatura do espaço-tempo. Ou seja, essas propriedades são vistas agora como dinâmicas, porém influenciadas pela gravidade e pela curvatura do espaço-tempo em escalas quânticas.
“A equação obtida é covariante no espaço-tempo e invariante em relação a qualquer escala de Planck”, diz o estudo.
A implicação disso é que a equação pode ser universalmente aplicada, pois une conceitos da relatividade (covariância no espaço-tempo) com os da física quântica (invariância da escala de Plank).
“A equação obtida é covariante no espaço-tempo e invariante com relação a qualquer escala de Planck. Portanto, as constantes do universo podem ser reduzidas a apenas duas quantidades:
1- Comprimento de Planck e
2- Tempo de Planck”, observam os pesquisadores.
Esta equação provou matematicamente que a Equação de Campo de Einstein relacionada à teoria da relatividade é igual à equação quântica. Os autores do estudo afirmam que ela pode fornecer respostas a várias perguntas que têm sido um mistério.
Por exemplo, pode explicar por que buracos negros não entram em colapso, quais foram as condições durante o Big Bang e como funciona o emaranhamento espaço-temporal.
Além disso, “Nos últimos anos, o Telescópio Espacial James Webb (JWST) observou vários fenômenos, incluindo galáxias que já existiam 300 Milhões de amos após o big bang, que nunca foram pensadas como existentes. Nossa teoria proposta explica adequadamente esse fenômeno”, disseram os pesquisadores.
Quais as Consequências da nova equação?
Quando os autores afirmam, na descrição da nova equação que ela é “covariante no espaço-tempo” isso significa que ela mantém a sua forma matemática, mesmo quando suas coordenadas são transformadas.
Isso é garantido pela utilização da chamada geometria riemanniana, área da matemática que explica, nesse caso, a curvatura do espaço-tempo causada pela presença de massa e energia, na relatividade geral.
Por outro lado, dizer que a equação permanece “invariante em relação a qualquer escala de Planck” quer dizer que ela permanece válida, não obstante, à escala em que os fenômenos ocorrem, desde as microscópicas até as maiores escalas cosmológicas.
A escala de Planck fornece valores fundamentais para comprimento, tempo e energia em física quântica e relatividade, com base em constantes universais.
Aplicando a equação ao mundo em que vivemos, os autores concluem que, à medida que o Universo se expande, a curvatura do espaço-tempo diminui, criando novas formas de massa e energia.
Mas, em algum momento, essa expansão atinge um ponto em que para de se expandir, levando a um estado estável, ou a novas mudanças na taxa de expansão.
Muitas descobertas sobre o universo e o mundo quântico, novas propriedades hipóteses poderão ser encontradas e manipuladas a partir dessa abordagem matemática unificada. Alem disso, a ciência básica permite saltos tecnológicos maiores do que a evolução linear da tecnologia.
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A reprodução de matérias é livre mediante a citação do título do texto com link apontando para este texto. Crédito do site Nature & Space
PELA PRIMEIRA VEZ EQUAÇÕES CONECTAM O MUNDO CÓSMICO RELATIVÍSTICO COM O QUÂNTICO
Fonte
Astroparticle Physics
On the same origin of quantum physics and general relativity from Riemannian geometry and Planck scale formalism
