Em busca de Teoria de Tudo - O que é Gravitação Quântica?

Pergunta: O que é a Gravitação Quântica?

Uma das principais metas dos cientistas é a busca pelo Santo Graal da Física: A Teoria de Tudo 

Você já ouviu falar da "gravitação-quântica"? Como ela pode relacionar outros aspectos da física quântica, com a teoria do campo unificado? O que ela é exatamente?

Resposta: 

A gravidade quântica é um termo geral para teorias que tentam unificar a gravidade com as outras forças fundamentais da física (que já estão unificadas em conjunto). Geralmente postula uma entidade teórica, um gráviton, que é uma partícula virtual (partículas que aparecem e desaparecem no cenário quântico) que medeia a força gravitacional. Isso é o que distingue a gravidade quântica de certas outras teorias do campo unificado ... embora, em justiça, algumas teorias que são normalmente classificadas como gravidade quântica não necessariamente exigem um gráviton. A teoria da gravidade quântica é também uma grande unificação de todas as interações conhecidas é por vezes referida como uma teoria de tudo (TOE - da sigla em inglês).

Qual é o gráviton?

O modelo padrão da mecânica quântica (desenvolvido entre 1970 e 1973) postula que as outras três forças fundamentais da física são mediadas por bósons virtuais. Fótons medem a força eletromagnética, bósons W & Z  medem a força nuclear fraca, e glúons (como quarks ) medem a força nuclear forte. O gráviton, por sua vez, seria um mediador da força gravitacional. Se encontrado, o gráviton é esperado para estar sem massa (porque age instantaneamente a longas distâncias) e têm spin 2 (porque a gravidade é um campo tensor de segunda ordem).

A História

Historicamente, tem havido duas reações à aparente inconsistência da teoria quântica com a necessária independência-básica da teoria da relatividade geral. A primeira é que a interpretação geométrica da relatividade geral não é fundamental, mas surge qualitativamente de alguma teoria mais primordial. Isto é explicitado, por exemplo, no livro-texto clássico de Steven Weinberg Gravitation and Cosmology. Um ponto de vista oposto é que a independência-fundo é fundamental, e que a mecânica quântica necessita ser generalizada por parâmetros onde não foi especificado, a priori, o tempo. O ponto de vista geométrico está exposto no texto clássico Gravitation, de Misner, Wheeler e Thorne.

Os dois livros, editados por renomados físicos teóricos, expressam visões completamente opostas do significado da gravitação. Foram publicados quase simultaneamente no inicio de 1970. A razão foi que um impasse tinha sido alcançado, uma situação que levou Richard Feynman (que por si mesmo tinha feito importantes tentativas para compreender a gravitação quântica) a escrever, em desespero, "Lembre-me de não voltar a mais nenhuma conferência de gravitação" em uma carta para sua esposa no inicio de 1960.

Progressos foram alcançados nas duas frentes, conduzindo, em 2004, à teoria das cordas por um lado, e por outro lado à gravitação quântica em loop.

A gravitação quântica foi provada?

O grande problema em experimentalmente de testar qualquer teoria da gravidade quântica é que os níveis de energia necessários para observar as conjecturas são inatingíveis em experimentos de laboratório atuais. Mesmo teoricamente, a gravidade quântica é executada em problemas sérios. A Gravitação está explicada pela teoria da relatividade geral, o que gera diferentes hipóteses sobre o universo em escala macroscópica do que aqueles feitos pela mecânica quântica em escala microscópica.

As tentativas de combiná-los geralmente vão para o "problema renormalização", em que a soma de todas as forças não anulam e resultar em um valor infinito. Na eletrodinâmica quântica, isso aconteceu ocasionalmente, mas poderia renormalizar a matemática para remover estas questões. Tal renormalização não funciona em uma interpretação quântica da gravidade.

Os pressupostos da gravitação quântica são, geralmente, que tal teoria iria provar ser muito simples e elegante, tantos é que os físicos tentam trabalhar olhando para trás, de forma a prever uma teoria de que eles se sentem responsáveis pelas simetrias observadas na física e, em seguida, vendo se essas teorias funcionam.

A Gravitação Quântica pretende unir todos os campos.

Algumas teorias do campo unificado que são classificados como teorias de gravidade quântica incluem:

1. A teoria das cordas / teoria das supercordas / teoria-M
2. Supergravidade
3. Teoria twistor
4. Gravitação quântica euclidiana
5. Equação Wheeler-deWitAdS/CFT
6. Gravitação quântica de Loop de Ashtekar, Smolin e Rovelli
7. Geometria não comutativa de Alain ConnesA teoria do "R = T" ( dilaton )2 por Robert Mann e Tony Scott
8. Teoria Twistor de Roger Penrose
9. Gravitação quântica discreta de Lorentzian
10. Gravitação induzida Sakharov
11. Calculo Regge
12. Métrica acústica e outros modelos análogos de gravitação
13. Processos Físicos
14. Teoria do campo unificado (Teoria de Tudo)

(prometeremos explicar cada uma delas posteriormente)

É claro, é totalmente possível que, se a gravidade quântica existir, ele será simples nem elegante, caso em que estas tentativas estão sendo abordados com suposições equivocadas e, provavelmente, seria impreciso. Só o tempo e experimentação, vão dizer com certeza.

Também é possível, como algumas das teorias acima prevem, que a compreensão da gravidade quântica não apenas consolidar as teorias, mas sim introduzir fundamentalmente uma nova compreensão do espaço e do tempo.

Referências: About Physics