Yurii Mongol
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A nossa realidade fundamental é contínua ou dividida em pedaços minúsculos e discretos??
Questionado de outra forma, o espaço-tempo é suave ou volumoso? A questão atinge o cerne das teorias mais fundamentais da física, ligando a forma 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, por causa das energias extremas necessárias para sondar escalas tão minúsculas no universo. Isso é - até agora. Uma equipe de astrônomos propôs um novo plano ambicioso para usar uma frota de pequenas espaçonaves para detectar mudanças sutis na velocidade da luz, uma marca registrada de algumas das teorias mais alucinantes do cosmos. Se o espaço e o tempo forem realmente divididos em pequenos pedaços, a pesquisa pode abrir caminho para uma compreensão completamente nova da realidade.
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Chunky vs. liso
A questão de "o que é espaço e tempo?" remonta a milhares de anos, e nossa compreensão moderna repousa sobre dois pilares estranhamente incompatíveis: a mecânica quântica e a teoria da relatividade geral de Einstein.
Na relatividade geral, espaço e tempo são tecidos juntos no tecido unificado de espaço-tempo, o estágio quadridimensional que sustenta nosso universo. Este espaço-tempo é contínuo, o que significa que não há lacunas em parte alguma; é tudo uma textura lisa. O espaço-tempo não é apenas uma plataforma para desempenharmos nossas funções; também é um jogador: a curvatura e a curvatura do espaço-tempo nos dá nossa experiência de gravidade.
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No canto oposto, um conjunto de regras chamado mecânica quântica governa as interações das coisas muito pequenas no universo. A mecânica quântica se baseia na ideia de que não muito de nossa experiência cotidiana é suave e contínua, mas volumosa. Em outras palavras, é quantizado. Energia, momento, rotação e tantas outras propriedades da matéria vêm em apenas pequenos pacotes discretos.
Além do mais, 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. Estas são obviamente muito grossas, 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 lisos.
Pedaços de tempo e espaço
Portanto, temos algumas imagens suaves do nosso universo e algumas mais grossas. Quando se trata do próprio espaço-tempo, podemos facilmente imaginar estendendo os conceitos da mecânica quântica até sua conclusão lógica e determinando que o espaço e o tempo são distintos: a própria estrutura da realidade é dividida como pixels na tela de um computador , e o que experimentamos como um movimento contínuo e suave nada mais é do que uma grade de pixels discretos na mais ínfima das escalas.
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Muitas teorias de fusão da mecânica quântica e da relatividade geral, como a teoria das cordas e a gravidade quântica em loop, prevêem alguma forma de espaço-tempo discreto (embora as previsões precisas, interpretações e implicações dessa fragmentação ainda sejam mal compreendidas). Se pudéssemos encontrar evidências de um espaço-tempo discreto, isso não apenas reescreveria completamente nossa compreensão da realidade, mas também abriria a porta para uma revolução na física.
Essa discrição pode se revelar apenas das maneiras mais sutis; caso contrário, já o teríamos descoberto. Várias teorias previram que, se o espaço-tempo fosse realmente espesso, então a velocidade da luz pode não ser inteiramente constante - ela pode mudar ligeiramente dependendo da energia dessa luz. A luz de alta energia tem um comprimento de onda mais curto e, quando o comprimento de onda se torna pequeno o suficiente, ela pode "ver" o tamanho do espaço-tempo. Imagine andar na calçada: com pés grandes você não percebe nenhuma pequena rachadura ou solavanco, mas se você tivesse pés microscópicos tropeçaria em cada pequena imperfeição, reduzindo a velocidade. Mas essa mudança é incrivelmente pequena; se o espaço-tempo for discreto, estará em uma escala mais de um bilhão de vezes menor do que a que podemos sondar atualmente 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 equipa de astrónomos apresentou uma proposta para esta missão em resposta a um apelo para novas ideias de caça ao espaço-tempo da Agência Espacial Europeia (ESA). A proposta está detalhada na base de dados arXiv, o que significa que ainda não foi revisada por pares da área.
Aqui está o furo: para ver se a velocidade da luz muda com diferentes energias, precisamos coletar uma grande quantidade da luz de mais alta energia do universo, e GrailQuest espera fazer exatamente isso.
GrailQuest consiste em uma frota de naves espaciais pequenas e simples (o número exato varia, de apenas algumas dezenas se os satélites forem maiores a bem mais de alguns milhares se eles 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 nome sugere, essas explosões liberam grandes quantidades de fótons de alta energia, também conhecidos como raios gama. Esses raios gama viajam por bilhões de anos antes de atingir a frota de espaçonaves, que registram a energia dos raios gama e as diferenças de tempo conforme a explosão atinge a frota.
Com precisão suficiente, GrailQuest pode ser capaz de revelar se o espaço-tempo é discreto. Pelo menos, ele tem a configuração certa: está examinando a luz de mais alta energia (que é mais afetada nas teorias que prevêem que o espaço-tempo é espesso); os raios gama têm viajado por bilhões de anos-luz (permitindo que o efeito se acumule com o tempo); e as espaçonaves são simples o suficiente para produzir em massa (para que toda a frota possa ver tantos eventos quanto possível, em todo o céu).
Como nossas concepções de realidade mudariam se GrailQuest encontrasse evidências da discrição do espaço-tempo? É impossível dizer - nossas teorias atuais estão em todo o mapa quando se trata de implicações. Mas não importa o que aconteça, vamos ter que esperar. Esta rodada de propostas da ESA será lançada em algum momento entre 2035 e 2050. Enquanto esperamos, podemos debater se o tempo decorrido entre agora e então é fundamentalmente suave ou volumoso.
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Paul M. Sutter é astrofísico em The Ohio State University, anfitrião de Pergunte a um astronauta e Rádio Espacial, e autor de Seu lugar no universo.
Originalmente publicado em .
