Por que uma velha Teoria de Tudo está ganhando uma nova vida?

Por Sabine Hossenfelder

via Quanta Magazine

Vinte e cinco partículas e quatro forças. Essa descrição - o Modelo Padrão de física de partículas - constitui a melhor explicação atual dos físicos para tudo no Universo. É limpa e é simples, mas ninguém está inteiramente feliz com ela. O que mais irrita os físicos é que uma das forças - a gravidade - age como um polegar dolorido em uma mão de quatro dedos. A gravidade é diferente.

Ao contrário da força eletromagnética e das forças nucleares forte e fraca, a gravidade não é uma teoria quântica. Isso não é apenas desagradável esteticamente, também é uma dor de cabeça matemática. Sabemos que as partículas têm propriedades quânticas e campos gravitacionais, de modo que o campo gravitacional deve ter propriedades quânticas como as partículas que a causam. Mas está sendo demasiado difícil de encontrar uma teoria quântica da gravidade.

Na década de 1960, Richard Feynman e Bryce DeWitt estabeleceram a quantização da gravidade utilizando as mesmas técnicas que transformaram o eletromagnetismo na teoria quântica chamada eletrodinâmica quântica. Infelizmente, quando aplicada à gravidade, as técnicas conhecidas resultaram em uma teoria que, quando extrapolada para altas energias, foi atormentada por infinitos infinitos. Esta quantificação da gravidade foi acometida como uma "doença incurável", uma aproximação útil somente quando a gravidade é fraca.

Desde então, os físicos fizeram várias outras tentativas de quantificar a gravidade na esperança de encontrar uma teoria que também funcionasse quando a gravidade fosse forte. A teoria das corda, a gravidade quântica em loop, a triangulação dinâmica causal e algumas outras que foram direcionadas para esse objetivo. Até agora, nenhuma dessas teorias teve provas experimentais. Cada uma tem prós e contras matemáticos, e nenhuma convergência surgiu até o momento. Mas enquanto essas abordagens competiam por atenção, um velho rival surgiu.

Sabine Hossenfelder é uma física teórica baseada no Frankfurt Institute for Advanced Studies em Frankfurt, Alemanha. 

A teoria chamada gravidade assintoticamente segura foi proposta em 1978 por Steven Weinberg. Weinberg, que apenas um ano depois compartilharia o Prêmio Nobel com Sheldon Lee Glashow e Abdus Salam por unificar a força nuclear eletromagnética e fraca, percebeu que os problemas com a quantificação da gravidade não representam a morte da teoria. Mesmo que pareça que a teoria se desdobre quando extrapolada para altas energias, essa ruptura talvez nunca aconteça. Mas para poder contar exatamente o que acontece, os pesquisadores tiveram que esperar por novos métodos matemáticos que só recentemente se tornaram disponíveis. 

Nas teorias quânticas, todas as interações dependem da energia em que ocorrem, o que significa que a teoria muda à medida que algumas interações se tornam mais relevantes, outras menos. Essa mudança pode ser quantificada calculando como os números que entram na teoria - coletivamente chamados de "parâmetros" - dependem da energia. A força nuclear forte, por exemplo, torna-se fraca em altas energias, pois um parâmetro conhecido como a constante de acoplamento se aproxima de zero. Esta propriedade é conhecida como "liberdade assintótica", e rendeu outro Prêmio Nobel, em 2004, a Frank Wilczek, David Gross e David Politzer . 

Uma teoria que é assintoticamente livre é bem comportada em altas energias; Não há nenhum problema. A quantificação da gravidade não é desse tipo, mas, como Weinberg observou, um critério mais fraco surgiria: para que a gravidade quântica funcione, os pesquisadores devem ser capazes de descrever a teoria em altas energias usando apenas um número finito de parâmetros. Isso se opõe à situação que enfrentam na extrapolação ingênua, o que requer um número infinito de parâmetros não especificáveis. Além disso, nenhum dos parâmetros devem tornar-se infinitos. Esses dois requisitos - que o número de parâmetros sejam finitos e os próprios parâmetros sejam finitos - formam uma teoria "assintoticamente segura". 

Em outras palavras, a gravidade seria assintoticamente segura se a teoria em altas energias permaneça igualmente bem comportada como a teoria em energias baixas. Por si só, isso não é muito uma visão. Este bom comportamento não contradiz necessariamente o que já conhecemos sobre a teoria em energias baixas (dos primeiros trabalhos de DeWitt e Feynman). 

Embora a ideia de que a gravidade possa ser assintoticamente segura tenha ocorrido há quatro décadas, foi apenas no final da década de 1990, através da pesquisa de Christof Wetteric, físico da Universidade de Heidelberg, e Martin Reuter, físico da Universidade de Mainz, que a gravidade assintoticamente segura pegou. As obras de Wetterich e Reuter forneceram o formalismo matemático necessário para calcular o que acontece com a teoria quântica da gravidade em energias superiores. A estratégia do programa de segurança assintótica, então, era começar com a teoria em energias baixas e usar os novos métodos matemáticos para explorar como alcançar a segurança assintótica. 

Então, a gravidade é assintoticamente segura? Ninguém provou isso, mas os pesquisadores utilizam vários argumentos independentes para apoiar a ideia. Em primeiro lugar, estudos de teorias gravitacionais em espaços-tempo de dimensões baixas, que são muito mais fáceis de fazer, acreditam que, nesses casos, a gravidade é assintoticamente segura. Em segundo lugar, cálculos aproximados suportam a possibilidade. Em terceiro lugar, os pesquisadores aplicaram o método geral para estudos de teorias mais simples e não-revolucionárias e acharam que era confiável. 

O principal problema com a abordagem é que os cálculos no espaço teórico completo (infinito!) não são possíveis. Para tornar os cálculos viáveis, os pesquisadores estudam uma pequena parte do espaço, mas os resultados obtidos apenas produzem um nível limitado de conhecimento. Portanto, mesmo que os cálculos existentes sejam consistentes com a segurança assintótica, a situação permaneceu inconclusiva. E há outra questão que permaneceu aberta. Mesmo que a teoria seja assintoticamente segura, ela pode tornar-se fisicamente sem sentido em altas energias porque pode quebrar alguns elementos essenciais da teoria quântica. 

Ainda assim, os físicos já podem colocar as idéias da segurança assintótica à prova. Se a gravidade é assintoticamente segura - isto é, se a teoria é bem comportada em altas energias - então isso restringe o número de partículas fundamentais que podem existir. Esta restrição coloca gravidade assintoticamente segura em desacordo com algumas das abordagens perseguidas para a grande unificação . Por exemplo, a versão mais simples da supersimetria - uma teoria muito popular que prevê uma partícula irmã para cada partícula conhecida - não é assintoticamente segura. A versão mais simples da supersimetria entretanto foi descartada por experimentos no LHC, assim como algumas outras extensões propostas do Modelo Padrão. Mas se os físicos estudavam o comportamento assintótico de antemão, poderiam ter concluído que essas idéias não eram promissoras. 

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Outro estudo recentemente mostrou que a segurança assintótica também restringe as massas de partículas. Isso implica que a diferença de massa entre o quark superior e inferior não deve ser maior do que um certo valor. Se não tivéssemos já medido a massa do quark superior, isso poderia ter sido usado como uma previsão.

Esses cálculos dependem de aproximações que podem não ser totalmente justificadas, mas os resultados demonstram o poder do método. A implicação mais importante é que a física nas energias onde as forças podem ser unificadas - geralmente pensada como irremediavelmente fora do alcance - está intrinsecamente relacionada com a física em energias baixas; o requisito de segurança assintótica os conecta.

Muitas pessoas que trabalham com gravidade assintoticamente segura, eles se referem à ela como "decepcionante". Esse comentário nasce do pensamento de que a segurança assintótica significa que não há nada de novo para aprender. gravidade quântica é apenas mais teoria do campo quântico, como sempre. 

Mas não só a segurança assintótica fornece um vínculo entre as baixas energias testáveis ​​e as altas energias inacessíveis - como demonstram os exemplos acima - a abordagem também não está necessariamente em conflito com outras formas de quantificar a gravidade. Isso porque a extrapolação central à segurança assintótica não exclui que uma descrição mais fundamental do espaço-tempo - por exemplo, com cordas ou redes - emerge em altas energias. Longe de ser decepcionante, a segurança assintótica pode nos permitir finalmente conectar o universo conhecido ao comportamento quântico do espaço-tempo.