Gravitação quântica

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Gravidade Quântica é o campo da física teórica que busca unificar a teoria da mecânica quântica, a qual descreve três das forças fundamentais, com a relatividade geral, a teoria da quarta força fundamental: gravidade. O desafio final de alguns é um arcabouço unificado de todas as forças fundamentais — uma teoria do tudo.

Muito da dificuldade em se fundir estas teorias originam-se das hipóteses radicalmente diferentes que estas teorias utilizam para explicar como nosso universo funciona. Teoria de campo quântico baseia-se em campo de partículas embutidas em espaço tempo da relatividade restrita. Relatividade geral modela a gravidade como uma curvatura no espaço-tempo que afeta o movimento das massas. O caminho mais obvio para combinar estas duas (que é tratar a gravidade como simplesmente outro campo partícula) conduz rapidamente para aquilo que conhecemos como problema da renormalização. Partículas de gravidade devem atrair-se mutuamente, somando juntas todas as interações, resultando em muitos valores infinitos os quais não podem ser facilmente cancelados sem ajuste sensível. Isto contrasta com aeletrodinâmica quântica onde algumas vezes atinge resultados infinitos, mas estes são bem poucos para serem removidos via renormalização.

Ambos mecânica quântica e relatividade geral tem sido altamente bem sucedidas. Infelizmente, a energia e condições na qual a gravitação quântica se torna importante são inacessíveis aos experimentos laboratoriais atuais. O resultado disto é que não há dados observacionais que possam prover qualquer auxilio para combinar as duas.

A abordagem geral tomada na geração de uma teoria quântica da gravidade é assumir que o a teoria em questão será simples e elegante e então procurar nas teorias atuais por simetrias e dicas de como combiná-las elegantemente em uma teoria mais abrangente. Um problema com esta abordagem é que ela não sabemos se ela será uma teoria simples e elegante.

Tal teoria é necessária no sentido de compreender problemas onde estão envolvidos uma combinação de grandes massas e energias, onde se tem dimensões espaciais muito reduzidas, tais como o comportamento de buracos negros, e a origem do universo.

[editar] Pespectiva histórica

Historicamente, tem existido duas reações a 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 independencia-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 gigantes da física teórica, 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 loop quântico.

[editar] A incompatibilidade da mecânica quântica e relatividade geral

Atualmente, um dos mais profundos problemas na física teoria é harmonizar a teoria da relatividade geral, a qual descreve a gravitação e sua aplicação em estruturas de larga-escala (estrelas, planetas e galáxias) com mecânica quântica, que descreve as outras três forças fundamentais atuando em escala microscópica.

Uma lição fundamental da relatividade geral é que não existe um referencial preferencial para o tempo-espaço, como exposto na mecânica Newtoniana e relatividade restrita; a geometria do espaço-tempo é dinâmica. Enquanto isto é fácil de compreender em principio, esta idéia e difícil de compreender no que tange a relatividade geral, e suas conseqüências são profundas, mas não totalmente, exploradas, mesmo ao nível clássico. Em um certo sentido, a relatividade geral pode ser vista como uma teoria relacional, na qual a única informação física relevante é o relacionamento entre diferentes eventos no espaço tempo.

Por outro lado, mecânica quântica tem uma dependência desde sua concepção de estrutura (não-dinâmica) de fundo. No caso da mecânica quântica, é o tempo é determinado e não dinâmico, como na mecânica clássica newtoniana. Na teoria quântica de campo relativística, tal como em uma teoria clássica de campo, o espaço-tempo Minkowski é fixado no arcabouço da teoria. Finalmente, teoria das cordas iniciada como uma generalização da teoria quântica de campo onde ao invés de partículas pontuais, objetos parecidos com cordas propagam-se em arcabouço de espaço-tempo fixo. Embora a teoria das cordas tenha a origem no estudo do confinamento de quark e não da gravitação quântica, foi logo descoberto que o espectro da conta contem o graviton, e que a "condensação" de certos modos vibracionais da corda é equivalente a modificação do arcabouço original.

Teoria quântica de campo em um arcabouço (não-Minkowskian) curvado, enquanto não seja uma teoria quântica da gravidade, tem mostrado que algumas que algumas jipoteses da teoria quântica não podem ser consideradas sobre espaço-tempo curvado, atrasando o crescimento da gravitação quântica. Em particular, o vácuo, quando existe, é demonstrado a sua dependência do caminho que o observador segue através do espaço tempo (veja efeito Unruh). Também, o conceito de campo parece ser mais fundamental que o conceito de partícula (o qual surge como um meio conveniente para descrever interações localizadas). Este ponto não é livre de controvérsia, sendo contraria a forma que a teoria quântica de campo foi desenvolvida por Steven Weinberg's no livro Quantum Field Theory.

A gravitação quântica de loop é fruto de um esforço para formular uma teoria quântica independente do arcabouço. A teoria quântica de campo topológica fornece um exemplo teoria quântica independente do arcabouço, mas com nenhum grau de liberdade local, e somente com finitos graus de liberdade globais. Isto é inadequado para descreve a gravidade em 3+1 dimensões, na qual mesmo no vácuo têm-se graus de liberdade locais de acordo com a relatividade geral. Em 2+1 dimensões, contudo, gravidade é uma teoria de campo topológica que teve sua quantização bem sucedida de várias maneiras, incluindo redes de spin.

Há três outros pontos de tensão entre a mecânica quântica e a relatividade geral. Primeiro, a relatividade geral prediz uma quebra de paradigma nas singularidades, e a mecânica quântica se tornaria inconsistente nas vizinhanças das singularidades. Segundo, não está claro como determinar o campo gravitacional de uma partícula, se a com relação princípio da incerteza de Heisenberg da mecânica quântica a localização e velocidade não podem ser conhecidas com precisão absoluta. Finalmente, há uma tensão, mas não uma contradição lógica, entre a violação da inequação de Bell's na mecânica quântica, a qual indica a influência super-luminal, e a velocidade da luz como uma velocidade limite na relatividade. A resolução destes dois primeiros pontos deve vir de uma melhor compreensão da relatividade geral [1].

[editar] Teorias

Há inúmeras propostas de teoria de gravitação quântica:

• Teoria das cordas
• Supergravitação
• AdS/CFT
• Equação Wheeler-deWitt
• Gravitação quântica de Loop de Ashtekar, Smolin e Rovelli
• Gravitação quântica Euclidiana
• Geometria não comutativa de Alain Connes
• Teoria Twistor de Roger Penrose
• Gravitação quântica discreta de Lorentzian
• Gravitação induzida Sakharov
• Calculo Regge
• Métrica acústica e outros modelos análogos de gravitação
• Processos Físicos

[editar] Veja também

• Evento Centauro
• Teoria-M
• Gravitação semiclassica
• Teoria de campo quântico no espaço tempo curvo
• Processo Físico

[editar] Na cultura popular

A famosa parodia do pós-modernismo por Alan Sokal (veja Sokal Affair) foi intitulada Transgressing the Boundaries: Toward a Transformative Hermeneutics of Quantum Gravity.

[editar] Links externos

• The shape of things to come New Scientist, 30 de Julho 2005