Espaço-tempo deve ser superfluido
Publicação recente aponta limitações da proposta do espaço-tempo como fluido
| NASA/ESA/ASU/J. Hester e A. Loll (Arizona State University) |
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| Luz da Nebulosa do Caranguejo (mostrada aqui em uma foto registrada pelo Telescíopio Espacial Hubble) limita as possibilidades para um espaço-tempo fluido. |
Por Clara Moskowitz
Se o espaço-tempo é como um líquido, um conceito que na opinião de alguns físicos poderia ajudar a resolver uma discrepância confusa entre duas teorias dominantes na física, ele deve ser um líquido muito especial.
Um recente estudo comparou observações astrofísicas com previsões baseadas na noção de um espaço-tempo fluido, e constatou que a ideia só funciona se o espaço-tempo for incrivelmente liso e fluir livremente: em outras palavras, um superfluido.
Pensar em espaço-tempo como um líquido pode ser uma analogia útil.
Muitas vezes imaginamos o espaço e o tempo como panos de fundo fundamentais para o Universo. Mas e se eles não forem fundamentais, sendo construídos em vez disso de ingredientes menores que existem em uma camada mais profunda da realidade que não podemos sentir? Se esse fosse o caso, as propriedades do espaço-tempo “emergiriam” da física subjacente de seus elementos constituintes, assim como as propriedades da água emergem das partículas que a compõe.
“Água é constituída de moléculas discretas, individuais, que interagem umas com as outras de acordo com as leis da mecânica quântica, mas a água líquida é contínua, fluente, transparente e refrativa”, explica Ted Jacobson, um físico da University of Maryland, College Park. “Tudo isso são propriedades ‘emergentes’, que não podem ser encontradas nas moléculas individuais, embora, em última instância, elas derivem das propriedades dessas moléculas”.
Físicos têm considerado essa possibilidade desde a década de 90 em uma tentativa de conciliar a teoria dominante da gravidade em grande escala — a relatividade geral — e a teoria que rege as mais diminutas partículas do Universo — a mecânica quântica.
As duas parecem funcionar perfeitamente dentro de seus respectivos domínios, mas entram em conflito em situações que combinam grande e pequeno, como ocorre em buracos negros (massa extremamente grande e volume extremamente pequeno).
Muitos físicos tentaram resolver o problema “quantizando” a gravidade; ou seja, dividindo-a em componentes menores, assim como a mecânica quântica decompõe muitas quantidades, como níveis de energia de partículas, em “blocos” discretos.
“Existem muitas tentativas de quantizar gravidade — a teoria cordas e a gravitação quântica em laços (loop quantum gravity) são abordagens alternativas, sendo que as duas podem alegar de ter feito bom progresso”, observa Stefano Liberati, um físico da Escola Superior Internacional de Estudos Avançados (a Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati, ou SISSA), em Trieste, na Itália. “Mas talvez não seja necessário quantizar a gravidade; é preciso quantizar esse objeto fundamental que cria espaço-tempo”.
Recentemente, Liberati e seu colega Luca Maccione, da Universidade Ludwig Maximilian, em Munique, investigaram como essa ideia afetaria luz viajando através do Universo.
Um espaço-tempo emergente, que agiu como um fluido, não seria imediatamente distinguível do espaço-tempo de qualquer outra teoria. Mas os dois cientistas descobriram que, em situações extremas, como no caso de partículas de luz muito enérgicas, algumas diferenças seriam perceptíveis.
De fato, ao examinarem observações de fótons de alta energia voando através do Universo a partir da Nebulosa do Caranguejo, os físicos foram capazes de descartar certas versões do espaço-tempo emergente, constatando que se ele de fato é um fluido, deve ser um superfluido. Os pesquisadores divulgaram seus resultados em 14 de abril na publicação científica Physical Review Letters.
Nessa analogia, partículas viajariam através do espaço-tempo como ondas em um oceano, e as leis da mecânica dos fluidos — a física da matéria condensada — se aplicariam.
Anteriormente, físicos consideraram como partículas de energias diferentes se dispersariam no espaço-tempo, exatamente como ondas de diferentes comprimentos de onda se dispersam, ou viajam a velocidades diferentes, em água.
No mais recente estudo, Liberati e Maccione levaram em consideração outro efeito fluido: a dissipação. À medida que ondas viajam através de um meio elas perdem energia com o tempo. De acordo com os cientistas, esse efeito “amortecedor” também ocorreria com fótons que viajam através do espaço-tempo.
Embora o efeito seja pequeno, fótons de alta energia viajando por distâncias muito grandes também deveriam perder uma quantidade considerável de energia, concluem os pesquisadores
Um exemplo real é a Nebulosa do Caranguejo, remanescente de uma supernova a cerca de 6.500 anos-luz da Terra, que emite luz altamente energética de raios-X e raios gama. Quando essa luz finalmente chega aos nossos telescópios, sua energia deveria ter se dissipado um pouco, se o espaço-tempo tiver propriedades de líquidas.
Observações da Nebulosa do Caranguejo não revelam, no entanto, nenhum sinal de um efeito desse tipo. “Mostramos que o espectro seria severamente afetado por essa perda de energia, mesmo que seja um efeito muito pequeno, porque a luz viaja por tanto tempo”, explica Liberati.
A falta de um sinal de dissipação permitiu que os pesquisadores impusessem fortes restrições aos efeitos líquidos que possam estar presentes no espaço-tempo, mostrando que eles devem ser extremamente pequenos, se é que estão de fato presentes. “Isso não quer dizer que essa ideia está completamente descartada”, salienta Liberati.
Os resultados, no entanto, reduzem as possibilidades de um espaço-tempo semelhante a líquido a apenas líquidos com viscosidades muito baixas, que não causam quase nenhum amortecimento — ou seja, um superfluido.
Mesmo defensores da ideia de um espaço-tempo fluido concordam que o conceito não é muito popular, e talvez improvável. Mas isso pode ser verdade? “Não tenho a mais vaga ideia”, confessa Renaud Parentani, um físico da Universidade de Paris-Sud, na França, que originalmente sugeriu considerar os efeitos de dissipação. “Honestamente, minha opinião é que ninguém tem a menor ideia. Tudo o que podemos fazer é modelar as várias possibilidades”.
Se for verdade que o espaço-tempo é um superfluido e que fótons de diferentes energias viajam a velocidades distintas ou se dissipam com o tempo, isso significa que a relatividade não se sustenta em todas as situações.
Um dos mais importantes princípios da relatividade, a invariância de Lorentz, afirma que a velocidade da luz é imutável, independente do referencial de um observador. “A possibilidade de que o espaço-tempo como nós o conhecemos emerge de algo que viola a relatividade é bastante radical”, argumenta Jacobson.
Mas ela abre um caminho potencial para corrigir alguns dos problemas que surgem quando se tenta combinar relatividade e mecânica quântica. “Violar a relatividade abriria a possibilidade de eliminar quantidades infinitas que surgem na atual teoria e que, para alguns, parecem improváveis de estarem fisicamente corretas”.
Portanto, se o espaço-tempo é um superfluido, a noção é propícia para físicos teóricos.
Sciam 18 de junho de 2014
Sciambr19jun2014
Se o espaço-tempo é como um líquido, um conceito que na opinião de alguns físicos poderia ajudar a resolver uma discrepância confusa entre duas teorias dominantes na física, ele deve ser um líquido muito especial.
Um recente estudo comparou observações astrofísicas com previsões baseadas na noção de um espaço-tempo fluido, e constatou que a ideia só funciona se o espaço-tempo for incrivelmente liso e fluir livremente: em outras palavras, um superfluido.
Pensar em espaço-tempo como um líquido pode ser uma analogia útil.
Muitas vezes imaginamos o espaço e o tempo como panos de fundo fundamentais para o Universo. Mas e se eles não forem fundamentais, sendo construídos em vez disso de ingredientes menores que existem em uma camada mais profunda da realidade que não podemos sentir? Se esse fosse o caso, as propriedades do espaço-tempo “emergiriam” da física subjacente de seus elementos constituintes, assim como as propriedades da água emergem das partículas que a compõe.
“Água é constituída de moléculas discretas, individuais, que interagem umas com as outras de acordo com as leis da mecânica quântica, mas a água líquida é contínua, fluente, transparente e refrativa”, explica Ted Jacobson, um físico da University of Maryland, College Park. “Tudo isso são propriedades ‘emergentes’, que não podem ser encontradas nas moléculas individuais, embora, em última instância, elas derivem das propriedades dessas moléculas”.
Físicos têm considerado essa possibilidade desde a década de 90 em uma tentativa de conciliar a teoria dominante da gravidade em grande escala — a relatividade geral — e a teoria que rege as mais diminutas partículas do Universo — a mecânica quântica.
As duas parecem funcionar perfeitamente dentro de seus respectivos domínios, mas entram em conflito em situações que combinam grande e pequeno, como ocorre em buracos negros (massa extremamente grande e volume extremamente pequeno).
Muitos físicos tentaram resolver o problema “quantizando” a gravidade; ou seja, dividindo-a em componentes menores, assim como a mecânica quântica decompõe muitas quantidades, como níveis de energia de partículas, em “blocos” discretos.
“Existem muitas tentativas de quantizar gravidade — a teoria cordas e a gravitação quântica em laços (loop quantum gravity) são abordagens alternativas, sendo que as duas podem alegar de ter feito bom progresso”, observa Stefano Liberati, um físico da Escola Superior Internacional de Estudos Avançados (a Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati, ou SISSA), em Trieste, na Itália. “Mas talvez não seja necessário quantizar a gravidade; é preciso quantizar esse objeto fundamental que cria espaço-tempo”.
Recentemente, Liberati e seu colega Luca Maccione, da Universidade Ludwig Maximilian, em Munique, investigaram como essa ideia afetaria luz viajando através do Universo.
Um espaço-tempo emergente, que agiu como um fluido, não seria imediatamente distinguível do espaço-tempo de qualquer outra teoria. Mas os dois cientistas descobriram que, em situações extremas, como no caso de partículas de luz muito enérgicas, algumas diferenças seriam perceptíveis.
De fato, ao examinarem observações de fótons de alta energia voando através do Universo a partir da Nebulosa do Caranguejo, os físicos foram capazes de descartar certas versões do espaço-tempo emergente, constatando que se ele de fato é um fluido, deve ser um superfluido. Os pesquisadores divulgaram seus resultados em 14 de abril na publicação científica Physical Review Letters.
Nessa analogia, partículas viajariam através do espaço-tempo como ondas em um oceano, e as leis da mecânica dos fluidos — a física da matéria condensada — se aplicariam.
Anteriormente, físicos consideraram como partículas de energias diferentes se dispersariam no espaço-tempo, exatamente como ondas de diferentes comprimentos de onda se dispersam, ou viajam a velocidades diferentes, em água.
No mais recente estudo, Liberati e Maccione levaram em consideração outro efeito fluido: a dissipação. À medida que ondas viajam através de um meio elas perdem energia com o tempo. De acordo com os cientistas, esse efeito “amortecedor” também ocorreria com fótons que viajam através do espaço-tempo.
Embora o efeito seja pequeno, fótons de alta energia viajando por distâncias muito grandes também deveriam perder uma quantidade considerável de energia, concluem os pesquisadores
Um exemplo real é a Nebulosa do Caranguejo, remanescente de uma supernova a cerca de 6.500 anos-luz da Terra, que emite luz altamente energética de raios-X e raios gama. Quando essa luz finalmente chega aos nossos telescópios, sua energia deveria ter se dissipado um pouco, se o espaço-tempo tiver propriedades de líquidas.
Observações da Nebulosa do Caranguejo não revelam, no entanto, nenhum sinal de um efeito desse tipo. “Mostramos que o espectro seria severamente afetado por essa perda de energia, mesmo que seja um efeito muito pequeno, porque a luz viaja por tanto tempo”, explica Liberati.
A falta de um sinal de dissipação permitiu que os pesquisadores impusessem fortes restrições aos efeitos líquidos que possam estar presentes no espaço-tempo, mostrando que eles devem ser extremamente pequenos, se é que estão de fato presentes. “Isso não quer dizer que essa ideia está completamente descartada”, salienta Liberati.
Os resultados, no entanto, reduzem as possibilidades de um espaço-tempo semelhante a líquido a apenas líquidos com viscosidades muito baixas, que não causam quase nenhum amortecimento — ou seja, um superfluido.
Mesmo defensores da ideia de um espaço-tempo fluido concordam que o conceito não é muito popular, e talvez improvável. Mas isso pode ser verdade? “Não tenho a mais vaga ideia”, confessa Renaud Parentani, um físico da Universidade de Paris-Sud, na França, que originalmente sugeriu considerar os efeitos de dissipação. “Honestamente, minha opinião é que ninguém tem a menor ideia. Tudo o que podemos fazer é modelar as várias possibilidades”.
Se for verdade que o espaço-tempo é um superfluido e que fótons de diferentes energias viajam a velocidades distintas ou se dissipam com o tempo, isso significa que a relatividade não se sustenta em todas as situações.
Um dos mais importantes princípios da relatividade, a invariância de Lorentz, afirma que a velocidade da luz é imutável, independente do referencial de um observador. “A possibilidade de que o espaço-tempo como nós o conhecemos emerge de algo que viola a relatividade é bastante radical”, argumenta Jacobson.
Mas ela abre um caminho potencial para corrigir alguns dos problemas que surgem quando se tenta combinar relatividade e mecânica quântica. “Violar a relatividade abriria a possibilidade de eliminar quantidades infinitas que surgem na atual teoria e que, para alguns, parecem improváveis de estarem fisicamente corretas”.
Portanto, se o espaço-tempo é um superfluido, a noção é propícia para físicos teóricos.
Sciam 18 de junho de 2014
Sciambr19jun2014
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