A mecânica quântica é a nossa teoria física de maior sucesso. Criado para explicar os fenômenos atômicos, possui uma vasta gama de aplicações que se estendem muito além do domínio atômico, desde a previsão das abundâncias dos elementos leves criados alguns minutos após o big bang para entender as propriedades dos materiais semicondutores que são a base de tecnologias avançadas da informação.
A mecânica quântica também é bem -sucedida em suas previsões requintadamente precisas de parâmetros fundamentais, como o valor do ‘momento magnético’ do elétron, uma propriedade ligada à sua carga elétrica e comportamento magnético, previsto para uma precisão de uma parte em dez trilhões.
A gravidade é quântica? Experimentos podem finalmente investigar uma das maiores perguntas da física
Nosso melhor entendimento atual dos constituintes fundamentais da matéria, o modelo padrão da física de partículas, é uma teoria quântica. E a afirmação de que todo sistema físico é, fundamentalmente, um sistema quântico não possui evidências de contador conhecido.
No caso da gravidade, no entanto, quase um século de esforço não resultou em um consenso estável, mesmo sobre os motivos mais promissores sobre os quais construir uma teoria da gravidade quântica.
Por que a gravidade quântica está se mostrando mais desafiadora do que outras teorias quânticas? As razões estão em parte na falta de fenomenologia observacional definitiva para nos guiar e em parte no caráter da gravidade, o que torna a gravidade quântica diferente de todas as outras teorias físicas.
Neste artigo, diagnostico, nas palavras de Albert Einstein, “onde os calçados beliscam” na gravidade quântica e descrevem um caminho a seguir, baseado na visão alternativa do físico Richard Feynman para a mecânica quântica.
Fundações quânticas
Um bom lugar para começar é o famoso avanço de Werner Heisenberg de 1925 na ilha dinamarquesa de Heligoland. Em retrospecto, o conceito verdadeiramente novo e surpreendente introduzido por Heisenberg é o das transições do átomo de um estado quântico para outra, transições que não ocorrem nas três dimensões familiares do espaço físico. Essa inovação estabeleceu um conflito entre as novas regras de previsão quântica e a estrutura conceitual familiar e historicamente bem-sucedida de acontecimentos físicos que ocorrem no espaço 3D real.
A questão de onde as transições atômicas ocorrem, se não no espaço 3D, não foi levantada explicitamente por Heisenberg em 1925, mas foi respondida logo depois. O paradeiro dessas transições foi identificado e formalizado matematicamente por Paul Dirac e outros como o ‘espaço Hilbert’ do sistema quântico, que compreende todos os estados quânticos concebíveis do sistema. Em matemática, o espaço de Hilbert assume a forma de um ‘espaço vetorial’: pense no estado quântico como uma flecha apontando em uma direção específica em um espaço com muitas, muitas dimensões.
Os físicos devem se deleitar com a diversidade de maneiras de entender a mecânica quântica
As transições no espaço de Hilbert de um vetor quântico-estado para outro afetam e são afetadas pelo que ocorre no espaço 3D físico por meio de interações especiais entre o sistema quântico e os instrumentos que existem no espaço 3D. Tais interações são conhecidas como medições, e as regras quânticas padrão fazem previsões sobre os resultados das medições registradas pelos instrumentos no espaço 3D.
Para fazer essas previsões, os acontecimentos no espaço de Hilbert devem ser coordenados com os acontecimentos no espaço 3D, e essa coordenação é alcançada usando um conceito de tempo sincronizado. À medida que o tempo passa no espaço de Hilbert, a seta vetorial do estado do sistema quântico muda. Seu movimento no espaço de Hilbert é governado por uma lei da física quântica, a equação de Schrödinger, e é um tipo de rotação: o ângulo através do qual o vetor do estado quântico gira no espaço de Hilbert é proporcional ao tempo que passa.
O tempo também passa para os instrumentos de medição e os físicos, no espaço 3D físico. A situação é como uma rodada no programa de rádio de comédia britânica de longa duração, Lamento não ter idéiano qual cada competidor de celebridades tem que cantar junto com a gravação de uma música, depois continua cantando enquanto a gravação é abafada. Quando a gravação é inalterada novamente, o competidor ganha pontos se ainda estiver cantando em sincronia com a gravação. Sério, é mais engraçado do que parece.
Nesta analogia, a música tocando é como o estado quântico evoluindo no espaço de Hilbert, e o cantor é como o instrumento de medição no espaço 3D. O período durante o qual o cantor não pode ouvir a gravação é como o período durante o qual o instrumento de medição não está fazendo uma medição. O momento de desmontagem é como o momento da medição.
No jogo, o cantor pode ficar fora de sincronia com a gravação, mas na mecânica quântica, a sincronização é sempre perfeita. O tempo que passou no espaço 3D para o instrumento de medição está sempre em perfeita sincronia com o tempo que passou no espaço de Hilbert, marcado pelo ângulo pelo qual o vetor de estado girou.
Essa sincronização perfeita é tão fundamental para a mecânica quântica que, ao trabalhar na teoria, o mesmo símbolo t é usado para o tempo no espaço físico 3D e para o tempo no espaço de Hilbert.
Por meio desse conceito de tempo sincronizado, Heisenberg e seus colegas em Copenhague estabeleceram um sucesso cientificamente bem -sucedido Détente Entre as duas noções do paradeiro dos acontecimentos físicos. Embora a evolução do estado do sistema quântico ocorra no espaço de Hilbert, as previsões científicas são sobre instâncias em que o instrumento mede algo, que ocorrem no espaço 3D físico.
Os últimos 100 anos provaram que um físico quântico pode se tornar extremamente bem -sucedido, aceitando e trabalhando com a estranha “dualidade de localização” do grupo de Copenhague. Quando o sistema quântico é a gravidade, no entanto, a visão de Copenhague não pode conter.
Excepcionalismo da gravidade
A gravidade não é como outros sistemas físicos. Nossa melhor teoria da gravidade é a teoria geral da relatividade, publicada por Einstein em 1915. Na relatividade geral, a entidade física que é o assunto da teoria é o espaço-tempo. O espaço-tempo é um tecido 4D físico com estrutura geométrica que dobra, distorce, ondulações, carrega energia e tem suas próprias leis de movimento, que são tão precisas e experimentalmente bem-sucedidas quanto as leis da mecânica de Newton.
‘Cale a boca e calcule’: como Einstein perdeu a batalha para explicar a realidade quântica
Na relatividade geral, os graduados espaciais de serem um estágio fixo no qual o que acontece acontece, de ser o palco e um ator dinâmico na peça da realidade por si só. O status físico da gravidade é diferente daqueles de outros sistemas. Se as partículas, por exemplo, estiverem ausentes de uma região do espaço-tempo, ainda pode haver acontecimentos físicos nessa região, incluindo deformação ou ondulação do próprio espaço-tempo. Mas se o espaço-tempo estiver ausente, não pode haver partículas, qualquer radiação eletromagnética ou qualquer outra coisa-porque não há lugar e nenhum deles para que elas sejam.
Nada é externo ao espaço-tempo: toda coisa física que existe na relatividade geral é espaço-tempo ou está no espaço-tempo. O requisito de Copenhague para um instrumento de medição física no espaço físico externo ao sistema quântico é incompatível com o sistema quântico sendo espaço-tempo.
Além disso, o caráter do tempo físico em geral a relatividade impede a sincronização que o Copenhague Détente requer. Na relatividade geral, o tempo físico passa individualmente para cada partícula, corpo ou instrumento de medição ao longo de seu próprio caminho individual, ou ‘linha mundial’, no espaço-tempo. Esses tempos individuais da linha mundial não podem nem ser sincronizados entre si e, portanto, não podem ser sincronizados com o tempo que passa no espaço de Hilbert, conforme exigido pelas regras de Copenhague. Para a gravidade quântica, Heisenberg’s Détente colapsos e uma abordagem alternativa é necessária.
A alternativa de Feynman
Em 1985, Feynman deu uma série de palestras públicas sobre eletrodinâmica quântica1a teoria unifica mecânica quântica e eletromagnetismo, para a qual ele compartilhou o Prêmio Nobel de 1965 em física. Nas palestras, ele estabeleceu uma abordagem alternativa à teoria quântica, na qual não há dualidade estranha de localização – os estados quânticos em evolução no espaço de Hilbert foram simplesmente deixados de fora.
Em vez disso, Feynman baseou suas explicações de fenômenos quânticos em eventos e histórias no espaço-tempo, conceitos que também são fundamentais na relatividade geral. A partir da década de 1980, os físicos James Hartle e Rafael Sorkin, independentemente, procuraram desenvolver a abordagem de Feynman e desenvolvê -la em uma base alternativa para uma teoria quântica adequada para descrever a gravidade. Veja como funciona a abordagem da Feynmanian.
Um evento é algo que pode acontecer. É útil ter exemplos concretos em mente, então pense em chuva em uma data específica em Bengaluru, na Índia. Um evento tem uma localização no espaço-tempo e acontece ou não. Anteriormente, não se sabe se um determinado evento ocorrerá ou não, mas depois, não há incerteza: choveu ou não.