Não há Universo sem matéria
Há cerca de dez anos, Olivier Minazzoli vem fazendo um pouco de música original ouvida na comunidade de físicos relativistas. “O que a relatividade emaranhada muda em relação à relatividade geral? Na realidade não é muito, mas tem consequências graves. Simplesmente modificamos a forma como a matéria e a curvatura do espaço-tempo estão acopladas. Em vez de um acoplamento linear, temos um acoplamento não linear, o que significa que a teoria não pode mais ser definida na ausência de matéria“, explica o físico ao Ciência e Futuro.
Na verdade, a relatividade geral de Einstein define como a matéria distorce o espaço-tempo. Mas com uma particularidade: a ausência de matéria não impede a existência do espaço-tempo. Em outras palavras, poderia haver um Universo completamente vazio. Esta ideia nunca convenceu Einstein, que foi muito influenciado pelo físico e filósofo austríaco Ernst Mach (1838-1916), para quem o espaço e o movimento só faziam sentido na presença da matéria.
Ao modificar o acoplamento matemático entre matéria e espaço-tempo, Olivier Minazzoli reformula assim a relatividade geral de uma forma mais consistente com esta intuição: para que um Universo exista, deve ainda conter matéria. No entanto, não se trata de contestar a relatividade geral, que tem repetidamente demonstrado a sua validade. “Em situações comuns, a relatividade emaranhada é indistinguível da relatividade geral.insiste o físico.
No Sistema Solar, leva assim às mesmas previsões que a teoria de Einstein. É em ambientes mais extremos — onde a gravidade se torna intensa e a matéria muito densa — que as diferenças começam a aparecer. Aqui está o porquê…
Constantes assumem a chave dos campos
“No caso da relatividade geral, G aparece explicitamente nas equações que descrevem o acoplamento matéria/espaço-tempo. E quando queremos estudar seus aspectos quânticos, ℏ também aparece. Na versão emaranhada, a ligação não linear entre matéria e espaço-tempo permite formular a teoria sem apresentá-la de imediato.explica o físico.
Essas constantes não desaparecem, mas mudam de status. “Estas não são mais constantes fundamentais: são campos“, explica Olivier Minazzoli. Um campo é uma quantidade definida em cada ponto do espaço e do tempo. A temperatura do ar é um exemplo de campo familiar: não tem um valor único, mas varia de um lugar para outro. Na relatividade emaranhada, a constante de Planck ℏ e a constante gravitacional G se comportam da mesma maneira. Seu valor corresponde ao estado assumido por esses campos ao longo da história do Universo.
No Universo comum – o Sistema Solar, laboratórios terrestres – o campo é quase uniforme: ℏ e G assumem então valores constantes, indistinguíveis daqueles que medimos durante um século. Por outro lado, em ambientes extremos, onde a matéria é muito densa, numa estrela de neutrões por exemplo, o campo pode variar ligeiramente. Então ℏ e G também…
A fronteira entre clássico e quântico
O que torna esta abordagem particularmente estimulante é que estas duas constantes se referem a áreas da física que são frequentemente apresentadas como difíceis de conciliar. A constante gravitacional G define a intensidade da gravitação e governa a estrutura do espaço-tempo na escala das galáxias e aglomerados de galáxias. A constante ℏ de Planck está no cerne da mecânica quântica e do mundo das partículas elementares. “Estabelecemos assim uma ligação direta entre um parâmetro puramente gravitacional e um parâmetro puramente quântico”resume Olivier Minazzoli.
Tal ponte abre novas perspectivas sobre a nossa compreensão do mundo físico. “Fundamentalmente, o Universo obedece às leis da física quânticalembra Olivier Minazzoli. Se a nossa vida quotidiana nos parece clássica é porque a constante de Planck é muito pequena. Se ℏ fosse maior, os efeitos quânticos seriam perceptíveis em escalas muito maiores.”
Na verdade, ℏ define a escala na qual os efeitos quânticos se tornam significativos. Quando a ação característica de um sistema é grande comparada a ℏ, o comportamento é descrito pela física clássica. Quando a ação de um sistema se torna comparável a ℏ, o comportamento deixa de ser clássico e passa a ser quântico. Da mesma forma, a aparente fraqueza da gravitação devido ao valor de G constitui um dos grandes mistérios da física. Comparada com outras interações, a gravitação parece insignificante. “Um simples ímã colocado em uma geladeira é suficiente para neutralizar a atração gravitacional exercida por toda a massa da Terra.“, sublinha Olivier Minazzoli.
Examine anãs brancas e estrelas de nêutrons
Esta fraqueza talvez não seja, portanto, um facto isolado. Na relatividade emaranhada, a constante gravitacional G e a constante de Planck ℏ não são mais independentes: elas emergem do mesmo campo e variam em conjunto. Um universo onde a gravitação é fraca também é um universo onde ℏ é pequeno. Uma ligação que sugere a existência de uma ligação profunda – ainda por definir – entre a gravidade e a mecânica quântica.
Resta agora confrontar esta teoria com a observação. No entanto, pela primeira vez, Olivier Minazzoli, com Thomas Chehab e Aurélien Hees, estão a propor caminhos de observação em ambientes extremos, onde a gravitação se torna intensa e a matéria extraordinariamente densa: anãs brancas e estrelas de neutrões.
A relatividade emaranhada poderia deixar ali vestígios observáveis. Em particular, uma variação da constante ℏ de Planck teria consequências diretas na luz emitida por estas estrelas. No entanto, de momento, estas pistas continuam a ser difíceis de explorar, as assinaturas esperadas são fracas e difíceis de distinguir de outros efeitos astrofísicos. A composição da atmosfera das estrelas e a presença de campos magnéticos intensos complicam muito a interpretação dos dados. “Não é dito que funciona“, reconhece Olivier Minazzoli. Em outras palavras, se a relatividade emaranhada abre caminho para testes observacionais, sua implementação exigirá observações muito precisas e modelos astrofísicos robustos. O preço a pagar pela ousadia de retocar a obra-prima de Einstein.