Nossa realidade fundamental é contínua ou é dividida em pequenos pedaços discretos?
Perguntado de outra maneira, o espaço-tempo é suave ou pesado? A questão está no coração das teorias mais fundamentais da física, unindo a maneira como o espaço e o tempo se cruzam com o material de nossa existência cotidiana.
No entanto, testar experimentalmente a natureza do espaço e do tempo tem sido impossível, devido às energias extremas necessárias para sondar essas escalas minúsculas no universo.. Isso é - até agora. Uma equipe de astrônomos propôs um novo plano ambicioso para usar uma frota de minúsculas naves espaciais para detectar mudanças sutis na velocidade da luz, uma marca registrada de algumas das teorias mais impressionantes do cosmos. Se o espaço e o tempo forem de fato divididos em pequenos pedaços, a pesquisa poderá pavimentar o caminho para uma compreensão completamente nova da realidade.
Chunky vs. smooth
A questão de "o que é espaço e tempo?" remonta a milhares de anos, e nosso entendimento moderno se apóia em dois pilares estranhamente incompatíveis: a mecânica quântica e a teoria da relatividade geral de Einstein.
Na relatividade geral, espaço e tempo são entrelaçados no tecido unificado de espaço-tempo, o estágio quadridimensional que sustenta o nosso universo. Esse espaço-tempo é contínuo, o que significa que não há lacunas em nenhum lugar; é tudo uma textura suave. O espaço-tempo não é apenas uma plataforma para agirmos nossas partes; também é um jogador: a curvatura e a distorção do espaço-tempo nos dão nossa experiência de gravidade.
No canto oposto, um conjunto de regras chamado mecânica quântica governa as interações das pequenas coisas do universo. A mecânica quântica baseia-se na ideia de que grande parte de nossa experiência cotidiana é suave e contínua, mas robusta. Em outras palavras, é quantizado. Energia, momento, rotação e tantas outras propriedades da matéria vêm apenas em pequenos pacotes discretos.
Além disso, a própria mecânica quântica também se divide em dois campos. Por um lado, temos as partículas familiares de nossa existência cotidiana, como elétrons e prótons, que interagem e fazem outras coisas interessantes. Estes são obviamente muito robustos, pois são "coisas" discretas. Por outro lado, temos os campos quânticos. No mundo subatômico, cada tipo de partícula tem seu próprio campo que se espalha pelo espaço-tempo; quando pensamos em partículas, pensamos em pequenas vibrações em seus campos, que por sua vez interagem com outras partículas e fazem outras coisas interessantes. Os campos são compreensivelmente muito suaves.
Pedaços de tempo e espaço
Então, temos algumas imagens suaves do nosso universo e outras mais grossas. Quando se trata do próprio espaço-tempo, podemos facilmente imaginar estendendo os conceitos da mecânica quântica até a sua conclusão lógica e decidindo que o espaço e o tempo são discretos: o próprio tecido da realidade é dividido como pixels na tela do computador e o que experimentamos como movimento contínuo e suave não passa de uma grade de pixels discretos na menor das escalas.
Muitas teorias da fusão entre a mecânica quântica e a relatividade geral, como a teoria das cordas e a gravidade quântica de loop, preveem alguma forma de espaço-tempo discreto (embora as previsões, interpretações e implicações precisas dessa fragilidade ainda sejam pouco compreendidas). Se pudéssemos encontrar evidências para o espaço-tempo discreto, isso não apenas reescreveria completamente nossa compreensão da realidade, mas também abriria as portas para uma revolução na física.
Essa discrição pode se revelar apenas das formas mais sutis; caso contrário, já o teríamos visto. Várias teorias previram que, se o espaço-tempo fosse realmente pesado, então a velocidade da luz pode não ser totalmente constante - ela pode mudar um pouco, dependendo da energia dessa luz. Uma luz de energia mais alta tem um comprimento de onda mais curto e, quando o comprimento de onda se torna pequeno o suficiente, pode "ver" a fragilidade do espaço-tempo. Imagine andar pela calçada: com pés grandes, você não percebe pequenas rachaduras ou solavancos, mas se você tivesse pés microscópicos, tropeçaria em cada pequena imperfeição, diminuindo a velocidade. Mas essa mudança é incrivelmente pequena; se o espaço-tempo é discreto, está em uma escala mais de um bilhão de vezes menor do que o que atualmente podemos investigar em nossos experimentos mais poderosos.
Uma busca pelo Graal
Entrar GrailQuest: Laboratório Internacional de Astronomia de Raios Gama para Exploração Quântica do Espaço-Tempo. Uma equipe de astrônomos enviou uma proposta para esta missão em resposta a um pedido de novas idéias de caça no espaço-tempo da Agência Espacial Européia (ESA). A proposta deles é detalhada no banco de dados arXiv, o que significa que ainda não foi revisado pelos pares no campo.
Aqui está a informação: para ver se a velocidade da luz muda com energias diferentes, precisamos coletar uma quantidade enorme da luz de energia mais alta do universo, e o GrailQuest espera fazer exatamente isso.
O GrailQuest consiste em uma frota de naves pequenas e simples (o número exato varia, de apenas algumas dúzias se os satélites são maiores a mais de alguns milhares se forem menores) para monitorar constantemente o céu em busca de explosões de raios gama. Estas são algumas das explosões mais poderosas do universo. Como o próprio nome sugere, essas explosões liberam grandes quantidades de fótons de alta energia, também conhecidos como raios gama. Esses raios gama viajam bilhões de anos antes de chegarem à frota de naves espaciais, que registram a energia dos raios gama e as diferenças nos tempos à medida que a explosão se espalha pela frota.
Com precisão suficiente, o GrailQuest poderá revelar se o espaço-tempo é discreto. Pelo menos, tem a configuração correta: está examinando a luz de energia mais alta (que é a mais afetada nas teorias que prevêem que o espaço-tempo é pesado); os raios gama estão viajando há bilhões de anos-luz (permitindo que o efeito se acumule ao longo do tempo); e a espaçonave é simples o suficiente para produzir em massa (para que toda a frota possa ver o maior número possível de eventos, em todo o céu).
Como nossas concepções de realidade mudariam se o GrailQuest encontrasse evidências da discrição do espaço-tempo? É impossível dizer - nossas teorias atuais estão por todo o mapa quando se trata de implicações. Mas não importa o quê, teremos que esperar. Esta rodada de propostas da ESA será lançada entre 2035 e 2050. Enquanto esperamos, podemos debater se o tempo decorrido entre agora e então é fundamental ou suave.
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Paul M. Sutter é um astrofísico da Universidade Estadual de Ohioanfitrião de Pergunte a um astronauta e Rádio Espaciale autor de Seu lugar no universo.
