A exploração das forças fundamentais que governam nosso mundo físico tem sido há muito tempo um foco central na física. Entre essas forças, a gravidade se destaca como a mais intimamente vivenciada por nós na Terra e a menos compreendida em termos científicos. Nossa jornada de entendimento da gravidade evoluiu notavelmente ao longo dos séculos, desde as percepções de Isaac Newton sobre o movimento planetário e maçãs caindo até a inovadora teoria da relatividade geral de Albert Einstein, que introduziu o conceito de espaço-tempo. Apesar desses avanços, nossa compreensão da gravidade permanece incompleta, particularmente no contexto da mecânica quântica.
Físicos teóricos como Kathryn Zurek, professora do Caltech, estão na vanguarda dessa exploração. O trabalho de Zurek gira principalmente em torno da matéria escura e dos sinais observacionais da gravidade quântica. Ela, entre muitos outros no campo, reconhece as limitações de nosso entendimento atual. “Por muitas razões, acreditamos que o entendimento fundamental da gravidade precisa ser de natureza quântica”, diz Zurek à Popular Mechanics. Esta declaração reflete um sentimento mais amplo na comunidade de física sobre a necessidade de desenvolver um arcabouço mecânico quântico para a gravidade.
A busca por uma “teoria de tudo” unificada que harmonize explicações quânticas de fenômenos microscópicos com a física clássica de escalas macroscópicas (como humanos e planetas) é uma tarefa monumental. Em seu cerne está a busca por uma teoria viável de gravidade quântica, uma teoria que possa integrar de forma harmoniosa a gravidade no reino quântico.
A gravidade quântica, como conceito, sugere que uma descrição mecânica quântica da gravidade deve existir. No entanto, formular uma teoria de apoio e obter prova empírica de tal teoria tem se mostrado desafiador. A física de partículas tradicional, como retratada no modelo padrão, não inclui a gravidade. Neste modelo, as forças são mediadas por partículas – por exemplo, fótons carregam a força eletromagnética. Estendendo essa lógica, a hipotética partícula graviton foi proposta para mediar a gravidade. Mas integrar o graviton em estruturas matemáticas existentes leva a questões complexas, como equações que produzem infinitos.
A teoria das cordas, proposta pela primeira vez no final dos anos 1960, emergiu como uma candidata proeminente nesse contexto. Ela postula que o universo é composto por múltiplas dimensões, além das quatro dimensões familiares de espaço e tempo. Nesta estrutura, partículas fundamentais são substituídas por “cordas” unidimensionais que vibram em várias frequências correspondendo a diferentes partículas. Uma frequência de vibração específica é teorizada para corresponder ao graviton. A teoria das cordas sugere de forma intrigante que a gravidade pode não ser uma força fundamental, mas uma propriedade emergente do emaranhamento quântico de partículas.
Netta Engelhardt, física teórica do MIT, faz uma analogia ao calor, que é percebido como o movimento de moléculas de ar. Ela diz ao Space.com, “Este fenômeno é semelhante à sensação de calor sendo na verdade apenas nossa experiência da velocidade das moléculas de ar ao nosso redor.”
Embora a teoria das cordas tenha fornecido uma descrição sofisticada e incorporada da gravidade, ela não está sem suas lacunas. Até o momento, ela não consegue se integrar totalmente ao modelo padrão de física de partículas. Zurek observa, “Acredita-se que, quando entendermos a teoria das cordas suficientemente bem… entenderemos como adicionar a matéria do modelo padrão a essa estrutura teórica de gravidade quântica, mas ainda não se sabe como fazer isso.”
Além dos esforços teóricos, abordagens experimentais também estão sendo desenvolvidas. Zurek faz parte de uma equipe no Caltech e no Fermilab trabalhando em um experimento chamado Gravity from Quantum Entanglement of Space-Time (GQuEST). Este experimento é conceitualmente semelhante a uma versão de mesa do Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferômetro Laser (LIGO). Ele visa detectar flutuações semelhantes à gravidade observando seus efeitos sobre fótons. Medindo perturbações mínimas no caminho dos fótons enquanto viajam entre espelhos, o experimento busca detectar possíveis efeitos dos gravitons.
Zurek expressa otimismo sobre o potencial de tais abordagens experimentais para lançar luz sobre a natureza quântica da gravidade. “Acreditamos que podemos ser capazes de ver pela primeira vez a natureza quântica da gravidade neste tipo de experimento com este tipo de medição”, diz ela. Este empreendimento, esperado para produzir observações nos próximos cinco a dez anos, poderia representar um salto significativo em nosso entendimento de como a mecânica quântica e a gravidade interagem.
