By Amanda Gefter

Uma teoria da realidade para além do universo de Einstein está a tomar forma – e um misterioso cósmico sinal, em breve, preencha os espaços em branco

NÃO FOI assim há muito tempo nós pensávamos que o espaço e o tempo eram o absoluto e imutável, o andaime do universo. Então veio Albert Einstein, que mostrou que diferentes observadores podem discordar sobre a duração dos objetos e o momento dos eventos. Sua teoria da relatividade unificou espaço e tempo em uma única entidade – espaço-tempo. Significava que a forma como pensávamos sobre o tecido da realidade nunca mais seria a mesma. “Doravante, o espaço por si só, e o tempo por si só, estão condenados a desvanecer-se em meras sombras”, declarou o matemático Hermann Minkowski. “Só uma espécie de união dos dois preservará uma realidade independente.”

mas a Revolução de Einstein foi suficientemente longe? O físico Lee Smolin do Perimeter Institute for Theoretical Physics em Waterloo, Ontário, Canadá, não pensa assim. Ele e um trio de colegas pretendem levar a relatividade a um nível totalmente novo, e eles têm espaço-tempo na mira. Eles dizem que precisamos esquecer a casa que Einstein inventou para nós& colon; Nós vivemos em vez disso em um lugar chamado espaço de fase.se esta afirmação radical for verdadeira, pode resolver um paradoxo preocupante sobre buracos negros que tem baralhado os físicos durante décadas. Além disso, poderia colocá-los no caminho para o desejo de seu coração: Uma “teoria de tudo” que finalmente unirá a relatividade geral e a mecânica quântica.o que é o espaço de fase? É um curioso mundo de oito dimensões que funde as nossas quatro dimensões familiares de espaço e tempo e um mundo de quatro dimensões chamado espaço momentum.

espaço Momentum não é tão alienígena quanto parece inicialmente. Quando você olha para o mundo ao seu redor, diz Smolin, você nunca observa o espaço ou o tempo – em vez disso você vê energia e impulso. Quando você olha para seu relógio, por exemplo, os fótons saltam de uma superfície e aterram em sua retina. Ao detectar a energia e o momento dos fótons, o seu cérebro reconstrói eventos no espaço e no tempo.o mesmo se aplica às experiências de física. Dentro dos esmagadores de partículas, os físicos medem a energia e o momento das partículas à medida que vão em direção uns aos outros e colidem, e a energia e o momento dos detritos que saem voando para fora. Da mesma forma, os telescópios medem a energia e o momento dos fótons que fluem dos confins do universo. “Se você seguir o que observamos, não vivemos no espaço-tempo”, diz Smolin. “Vivemos no espaço momentum.”

E assim como o espaço-tempo pode ser retratado como um sistema de coordenadas com o tempo em um eixo e espaço – suas três dimensões condensadas para um – no outro eixo, o mesmo é verdade para o espaço de momento. Neste caso, a energia está em um eixo e o momento – que, como o espaço, tem três componentes – está no outro (ver Diagrama).

matemáticas Simples transformações existe para traduzir as medições em que esse impulso espaço em medições no espaço-tempo, e a sabedoria comum é que a dinâmica do espaço é uma mera ferramenta matemática. Afinal de contas, Einstein mostrou que o espaço-tempo é a verdadeira arena da realidade, na qual os dramas do cosmos são reproduzidos.Smolin e seus colegas não são os primeiros a se perguntar se essa é a história completa. Já em 1938, o físico alemão Max Born notou que várias equações fundamentais na mecânica quântica permanecem as mesmas, quer expressas em coordenadas espaço-tempo ou em coordenadas espaciais momentum. Perguntava-se se seria possível usar essa conexão para unir o que parece incompatível teorias da relatividade geral, que trata do espaço-tempo, e da mecânica quântica, cujas partículas têm de momento e energia. Talvez possa fornecer a chave para a tão procurada teoria da gravidade quântica.a ideia de Born de que espaço-tempo e espaço momentum deveriam ser intercambiáveis – uma teoria agora conhecida como “reciprocidade Born” – teve uma notável consequência: Se o espaço-tempo pode ser curvado pelas massas de estrelas e galáxias, como a teoria de Einstein mostrou, então deve ser possível curvar o espaço momentum também.

na época não estava claro que tipo de entidade física poderia curvar o espaço de momento, e a matemática necessária para fazer tal ideia funcionar ainda não tinha sido inventada. Assim, Born nunca cumpriu seu sonho de colocar espaço-tempo e espaço momentum em pé de igualdade.é onde Smolin e seus colegas entram na história. Junto com Laurent Freidel, também no Perímetro Instituto, Jerzy Kowalski-Glikman na Universidade de Wroclaw, na Polônia, e Giovanni Amelino-Camelia na Universidade Sapienza de Roma, na Itália, Smolin foi investigar os efeitos da curvatura da dinâmica do espaço.

O Quarteto adotou as regras matemáticas padrão para traduzir entre o espaço de momento e o espaço-tempo e aplicou-as a um espaço de momento curvado. O que eles descobriram é chocante: observadores que vivem em um espaço de momento curvado não mais concordam em medições feitas em um espaço-tempo unificado. Isso vai totalmente contra o grão da relatividade de Einstein. Ele tinha mostrado que enquanto o espaço e o tempo eram relativos, o espaço-tempo era o mesmo para todos. Para observadores em um espaço de momento curvado, no entanto, mesmo espaço-tempo é relativo (ver Diagrama).

Este erro de correspondência entre um espaço do observador-medidas de tempo e de outro cresce com a distância ou com o tempo, o que significa que, enquanto o espaço-tempo em sua vizinhança imediata será sempre bem definidas, objetos e eventos ao longe tornar-se imprecisa. “Quanto mais longe você está e mais energia está envolvida, maior o evento parece se espalhar no espaço-tempo”, diz Smolin.por exemplo, se você está a 10 bilhões de anos-luz de uma supernova e a energia da sua luz é de cerca de 10 gigaeletronvolts, então sua medição de sua localização no espaço-tempo seria diferente de um observador local por um segundo de luz. Pode não parecer grande coisa, mas ascende a 300 mil quilómetros. Nenhum de vocês estaria errado – é que locais no espaço-tempo são relativos, um fenômeno que os pesquisadores apelidaram de “localidade relativa”.a localidade relativa daria um enorme golpe na nossa imagem da realidade. Se o espaço-tempo já não é um pano de fundo invariante do universo em que todos os observadores podem concordar, em que sentido pode ser considerado o verdadeiro tecido da realidade?

“a localidade relativa dá um enorme golpe à nossa compreensão da natureza da realidade”

Que é uma questão ainda por resolver, mas a localidade relativa também tem os seus benefícios. Por um lado, pode lançar luz sobre um puzzle teimoso conhecido como o paradoxo da perda de Informação do buraco negro. Na década de 1970, Stephen Hawking descobriu que os buracos negros irradiam sua massa, eventualmente evaporando e desaparecendo completamente. Isso colocou uma pergunta intrigante& colon; O Que Acontece com todas as coisas que caíram no buraco negro em primeiro lugar?

relatividade impede qualquer coisa que cai em um buraco negro de escapar, porque teria que viajar mais rápido do que a luz para fazê – lo-um limite de velocidade cósmica que é estritamente aplicado. Mas a mecânica quântica impõe sua própria lei estrita: As coisas, ou mais precisamente a informação que elas contêm, não podem simplesmente desaparecer da realidade. A evaporação do buraco negro coloca os físicos entre uma rocha e um lugar duro.de acordo com Smolin, a localidade relativa salva o dia. Digamos que foi paciente o suficiente para esperar enquanto um buraco negro evaporava, um processo que pode levar biliões de anos. Uma vez que tinha desaparecido, você poderia perguntar o que aconteceu com, digamos, um elefante que uma vez sucumbiu à sua aderência gravitacional. Mas como você olhar para trás, para o momento em que você pensou que o elefante tinha caído, você teria que encontrar locais no espaço-tempo havia crescido tão difusa e incerta que não haveria nenhuma maneira de dizer se o elefante realmente caiu no buraco negro ou pouco não a ele. O paradoxo da perda de informação dissolve-se.

“não haveria nenhuma maneira de dizer se um elefante realmente caiu no buraco negro ou falhou por pouco ”

As grandes questões ainda permanecem. Por exemplo, como podemos saber se o espaço momentum é realmente curvado? Para encontrar a resposta, a equipa propôs várias experiências.uma ideia é olhar para a luz que chega à terra de explosões de raios gama distantes. Se o espaço de momento é curvado de uma forma particular que matemáticos se referem como” não-métrica”, então um fóton de alta energia na explosão de raios gama deve chegar ao nosso telescópio um pouco mais tarde do que um fóton de menor energia da mesma explosão, apesar dos dois serem emitidos ao mesmo tempo.

apenas esse fenômeno já foi visto, começando com algumas observações incomuns feitas por um telescópio nas ilhas Canárias em 2005 (novo Cientista, 15 de agosto de 2009, p. 29). O efeito tem sido confirmado pelo Telescópio Espacial Fermi gamma-ray da NASA, que vem coletando luz de explosões cósmicas desde o seu lançamento em 2008. “Os dados de Fermi mostram que é um fato experimental inegável que há uma correlação entre o tempo de chegada e os fótons de alta energia chegam mais tarde do que os fótons de baixa energia”, diz Amelino – Camelia.ainda assim, ele ainda não está a abrir o champanhe. Não é claro se os atrasos observados são verdadeiras assinaturas do espaço curvado do momento, ou se eles estão reduzidos a “propriedades desconhecidas das próprias explosões”, como amelino-Camelia coloca. Os cálculos das explosões de raios gama idealizam as explosões como instantâneas, mas na realidade duram vários segundos. Embora não haja nenhuma razão óbvia para pensar assim, é possível que as explosões ocorram de tal forma que emitam fótons de baixa energia um segundo ou dois antes de fótons de alta energia, o que explicaria os atrasos observados.

para separar as propriedades das explosões de propriedades de relativa localidade, precisamos de uma grande amostra de explosões de raios gama a ter lugar em várias distâncias conhecidas (arxiv.org/abs/1103.5626). Se o atraso é uma propriedade da explosão, o seu comprimento não vai depender de quão longe a explosão é de nossa telescópio; se é um sinal de relativa localidade, ele vai. Amelino-Camelia e o resto da equipa de Smolin aguardam ansiosamente mais dados de Fermi.no entanto, as perguntas não terminam aqui. Mesmo que as observações de Fermi confirmem que o espaço de momento é curvado, eles ainda não nos dizem o que está fazendo a curva. Na relatividade geral, é momento e energia na forma de massa que dobra espaço-tempo. Num mundo em que o espaço momentum é fundamental, poderá o espaço e o tempo ser de alguma forma responsáveis por curvar o espaço momentum?o trabalho de Shahn Majid, um físico matemático da Universidade Queen Mary de Londres, pode conter algumas pistas. Na década de 1990, ele mostrou que o espaço de momentum curvado é equivalente ao que é conhecido como um espaço-tempo sem compromisso. Em familiarizado espaço-tempo, de coordenadas trajeto – que é, se queremos atingir o ponto com coordenadas (x,y), não importa se tomarmos x passos para a direita e, em seguida, y passos para a frente, ou se viajar y passos para a frente, seguido por x passos para a direita. Mas os matemáticos podem construir espaços-tempos em que esta ordem já não se mantém, deixando espaço-tempo com uma inerente fuzziness.

em certo sentido, tal fuzziness é exatamente o que você pode esperar uma vez que efeitos quânticos tomar posse. O que torna a mecânica quântica diferente da mecânica comum é o princípio da incerteza de Heisenberg: quando você fixa o momento de uma partícula – medindo – a, por exemplo-então a sua posição torna-se completamente incerta, e vice-versa. A ordem em que você mede posição e momento determina seus valores; em outras palavras, essas propriedades não comutam. Isso, diz Majid, implica que o espaço de momento curvado é apenas espaço-tempo quântico em outra forma.

além do mais, Majid suspeita que esta relação entre a curvatura e a incerteza quântica funciona de duas maneiras&dois-pontos; a curvatura do espaço-tempo – uma manifestação de gravidade de Einstein da relatividade – implica que a dinâmica espaço também é quântico. Smolin e o modelo dos colegas ainda não incluem a gravidade, mas uma vez que o faça, diz Majid, os observadores também não concordarão em medições no espaço momentum. Então, se tanto espaço-tempo quanto espaço momentum são relativos, onde está a realidade objetiva? Qual é o verdadeiro tecido da realidade?”se o espaço-tempo de Einstein já não é algo em que todos os observadores possam concordar, é o verdadeiro tecido da realidade?”

o palpite de Smolin é que nos encontraremos em um lugar onde espaço-tempo e momento espaço se encontram: um espaço de fase de oito dimensões que representa todos os valores possíveis de posição, tempo, energia e momento. Na relatividade, o que um observador vê como espaço, outro como tempo e vice – versa, porque em última análise são dois lados de uma única moeda-um espaço-tempo unificado. Da mesma forma, na imagem de Smolin da gravidade quântica, o que um observador vê como espaço-tempo outro vê como espaço de momento, e os dois são unificados em um espaço de fase de dimensão superior que é absoluto e invariante para todos os observadores. Com a relatividade a subir outro nível, será adeus ao espaço-tempo e ao espaço momentum, e ao espaço de fase hello.

“tem sido óbvio por um longo tempo que a separação entre espaço-tempo e energia-momento é enganadora ao lidar com a gravidade quântica”, diz O físico João Magueijo do Imperial College London. Na física comum, é fácil tratar espaço-tempo e espaço momentum como coisas separadas, ele explica, “mas a gravidade quântica pode exigir o seu enredamento completo”. Assim que descobrirmos como as peças do puzzle do espaço-tempo e do espaço do momento se encaixam, o sonho de Born será finalmente realizado e o verdadeiro andaime da realidade será revelado.

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