Nosso mundo é governado por quatro forças fundamentais: a força gravitacional de objetos maciços, a interação eletromagnética entre cargas elétricas, a interação nuclear forte segurando núcleos atômicos em conjunto ea força nuclear fraca causando instáveis a desmoronar.
Os físicos têm teorias quânticas para os últimos três deles que permitem cálculos muito precisos de fenômenos sobre os menores, escalas subatômicas. No entanto, a gravidade não se encaixam nesse esquema. Apesar de décadas de pesquisa, não há nenhuma teoria quântica geralmente aceite de gravidade, que é necessária para melhor compreender os aspectos fundamentais do nosso universo.
Física de Partículas e Astrofísica Professor Lance Dixon, da Universidade de Stanford e do Departamento de Energia do SLAC National Accelerator Laboratory explica uma abordagem para o desenvolvimento de uma tal teoria, chamada gravidade quântica:
Com exceção da gravidade, podemos descrever as forças fundamentais da natureza utilizando os conceitos da mecânica quântica.Nessas teorias, que são resumidos no Modelo Padrão da física de partículas, as forças são o resultado de uma troca de pequeno quanta de informações entre as partículas que interagem. As cargas elétricas, por exemplo, atraem ou repelem uns aos outros através da troca de fótons - quanta de luz que carregam a força eletromagnética. As forças fortes e fracos têm transportadoras correspondentes chamadas glúons e os bósons W e Z, respectivamente.
Nós usam rotineiramente essas teorias para calcular o resultado de processos subatômicas com uma precisão extraordinária. Por exemplo, podemos fazer previsões precisas para as colisões próton-próton complexas nos do CERN Large Hadron Collider, o mais poderoso acelerador de partículas provocadas pelo homem.
Mas a gravidade é diferente. Embora a teoria geral de Albert Einstein da relatividade explica a gravidade em escalas maiores, como resultado de objetos massivos distorcem o tecido do espaço-tempo, ela não nos diz nada sobre o que acontece com as partículas subatômicas gravitacionalmente. A gravidade quântica é uma tentativa de combinar a relatividade geral de Einstein com a mecânica quântica. Em analogia com as outras forças, podemos prever a gravidade para ser mediada por uma força transportadora, bem como, o gravitão.
A gravidade quântica poderia nos ajudar a responder questões importantes sobre o universo. Por exemplo, os efeitos quânticos desempenhar um papel perto de buracos negros - objetos tão grande que nem mesmo a luz pode escapar de sua atração gravitacional quando emitido a partir de dentro de um determinado raio, evento horizonte do buraco negro. No entanto, os buracos negros são pensados para ser não completamente preto. Se os efeitos quânticos perto do horizonte de eventos produzir pares de partículas, um deles iria cair no buraco negro, mas o outro escaparia como chamada radiação de Hawking.
Os pesquisadores também esperam entender melhor os primeiros momentos após o Big Bang, quando o Universo tinha um estado extremamente quente e denso, com uma quantidade enorme de energia. Nessa escala de energia, que chamamos de escala de Planck, a gravidade era tão forte como as outras forças fundamentais, e os efeitos gravitacionais quânticos foram cruciais. No entanto, não temos uma teoria quântica da gravidade convincente ainda que poderia descrever física na essas energias.
Alguém tem de perceber, porém, que processa na Terra ocorrem em muito menor escalas de energia, com unmeasurably pequenas correções quânticas a gravidade. Com o LHC, por exemplo, podemos chegar a energias que são um milhão de bilhões de vezes menor do que a escala de Planck. Portanto, estudos de gravidade quântica são na sua maioria "experimentos mentais", em que queremos descobrir se podemos fazer previsões sobre outras interações que podem ser mensurável. No entanto, verifica-se que os cálculos são bastante complicados.
Uma versão da gravidade quântica é fornecido pela teoria das cordas, mas estamos à procura de outras possibilidades. A gravidade é muito diferente das outras forças, para o qual já temos teorias quânticas. Primeiro de tudo, a gravidade é extremamente fraco - na ordem de um milhão de bilhões de bilhões de bilhões de vezes mais fraca do que a força fraca. Na verdade, a única razão pela qual nós observamos gravidade em tudo é porque sentimos a força combinada de uma enorme quantidade de partículas na Terra.
A gravidade também é diferente porque objetos maciços sempre atraem. Em contraste, a força forte só é atraente em distâncias muito curtas, ea força eletromagnética pode ser atraente ou repelente.
Finalmente, o gráviton difere fundamentalmente de todos os outros transportadores força conhecida em uma propriedade partícula conhecida como spin. Ele tem duas vezes o giro dos outros mediadores de forças.
Como isso afeta os cálculos? Ele faz com que o tratamento matemático muito mais difícil.
Nós geralmente calcular os efeitos quânticos, iniciando com um termo matemático dominante para que, em seguida, adicionar um número de termos cada vez menores. O número de termos, ou ordem, é preciso calcular depende da precisão que queremos alcançar. Uma complicação é que os termos de ordem superior às vezes se tornam infinitamente grande, e nós primeiro precisa se livrar desses infinitos, ou divergências, para fazer previsões significativas.
Para as forças eletromagnéticas, fortes e fracos, a gente se conhece como fazer isso por décadas. Nós temos uma maneira sistemática de remoção de infinidades de todas as ordens, chamado renormalização, o que nos permite calcular os efeitos quânticos muito precisamente. Infelizmente, devido à natureza diferente da gravidade, não encontramos uma teoria renormalizável de gravidade ainda.
Nas últimas décadas, pesquisadores da área fez um grande progresso na compreensão melhor de como fazer cálculos em gravidade quântica. Por exemplo, foi empiricamente constatou que, em certas teorias e certas ordens, podemos substituir a expressão matemática complicada para a interação de grávitons com o quadrado da interação de glúons - uma expressão mais simples que já sabemos como calcular.
Conseguimos usar esta descoberta para calcular os efeitos quânticos para cada vez mais alta ordem, o que nos ajuda a entender melhor quando ocorrer divergências. Meus colegas e eu tenho feito cálculos para quarta ordem em uma teoria chamada N = 8 supergravity sem encontrar quaisquer divergências. Idealmente, gostaríamos de calcular a ordens superiores para testar várias previsões para infinidades, mas isso é muito difícil.
Nós também foram envolvidos em um estudo recente em que olhamos para a teoria de dois grávitons que saltam fora uns aos outros. Mostrou-se mais de 30 anos atrás que as divergências que ocorrem no segundo fim desses cálculos pode mudar sob os chamados transformações de dualidade que substituem uma descrição do campo gravitacional com uma diferente, mas equivalente.Essas mudanças foram uma surpresa porque poderia significar que as descrições não são equivalentes no nível quântico. No entanto, temos agora demonstrado que essas diferenças realmente não mudam a física subjacente.
Na abordagem que estamos tendo, partículas subatômicas são descritos como ponto-like, como eles estão no Modelo Padrão. Cada uma destas partículas está associado com um campo fundamental que se estende ao longo do tempo e espaço. Em teoria da corda, por outro lado, as partículas são pensados para ser diferentes vibrações de um objecto alargado, semelhante aos tons diferentes provenientes da mesma cadeia de guitarra. Na primeira abordagem, grávitons e fótons, por exemplo, estão ligadas a campos gravitacionais e fótons, enquanto que na teoria das cordas, ambos são diferentes modos de vibração de uma corda.
Um apelo da teoria das cordas é que a sua forma de tratar partículas como objetos estendidos resolve o problema de divergências.Assim, em princípio, a teoria das cordas poderiam fazer previsões de efeitos gravitacionais sobre o nível subatômico.
No entanto, ao longo dos anos, os pesquisadores descobriram mais e mais maneiras de fazer teorias das cordas que parecem corretas. Comecei a ficar preocupado se pode haver realmente muitas opções para a teoria das cordas para nunca ser preditivo, quando eu estudei o assunto como um estudante de pós-graduação em Princeton, em meados dos anos 1980. Cerca de 10 anos atrás, o número de possíveis soluções já na ordem de 10500. Para efeito de comparação foi, há menos de 1010 pessoas na Terra e menos de 1012 estrelas na Via Láctea. Então, como será que vamos encontrar a teoria que descreve com precisão o nosso universo?
Para a gravidade quântica, a situação é um pouco o oposto, tornando a abordagem potencialmente mais previsível do que a teoria das cordas, em princípio. Há provavelmente não são muitas teorias que nos permitam tratar adequadamente as divergências na gravidade quântica - nós realmente não tenho encontrado um único ainda.
Seria muito interessante se alguém milagrosamente encontrado uma teoria que poderíamos usar para prever de forma consistente os efeitos gravitacionais quânticos para ordens muito maiores do que é possível hoje. Tal teoria da gravidade que se encaixam em nosso quadro atual de outras forças fundamentais da natureza.
A imagem na parte superior da página mostra um buraco negro supermassivo capturado pelo Very Large Telescope do ESO.
SLAC é um laboratório multi-programa de explorar questões de fronteira na ciência fóton, astrofísica, física de partículas e pesquisa acelerador. Localizado em Menlo Park, Califórnia., SLAC é operado pela Universidade de Stanford para o Departamento de Energia dos EUA do escritório da ciência.
O Galaxy diário via SLAC National Accelerator Laboratory
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