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 a eletrodinâmica 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.

Índice

[editar] Perspectiva 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 quântica em loop.

[editar] A incompatibilidade da mecânica quântica e relatividade geral

Atualmente, um dos mais profundos problemas na física teórica 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, o tempo é dinâmico e não determinado, 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 hipóteses 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:

[editar] Veja também

[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] Ligações externas

Obtido em "http://pt.wikipedia.org/wiki/Gravita%C3%A7%C3%A3o_qu%C3%A2ntica"
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