Finalmente, uma teoria unificada que combine a gravidade com as outras forças fundamentais — o eletromagnetismo e as forças nucleares forte e fraca — está ao nosso alcance. Incorporar a gravidade a essa teoria tem sido o objetivo de gerações de físicos, que lutam para conciliar a incompatibilidade de dois pilares da física moderna: a teoria quântica de campos e a teoria da gravidade de Einstein. Na Universidade Aalto foi desenvolvida uma nova teoria quântica da gravidade que a descreve de uma forma compatível com o Modelo Padrão da física de partículas, abrindo caminho para uma melhor compreensão de como o universo começou. Embora o mundo da física teórica possa parecer distante da tecnologia aplicável, as descobertas são notáveis. A tecnologia moderna se baseia em avanços fundamentais como esses — por exemplo, o GPS do seu smartphone funciona graças à teoria da gravidade de Einstein.
Os pesquisadores Mikko Partanen e Jukka Tulkki descrevem sua nova teoria em um artigo publicado na revista Reports on Progress in Physics. O autor principal, Partanen, espera que, dentro de alguns anos, as descobertas liberem uma compreensão crítica. “Se isso levar a uma teoria quântica de campo da gravidade completa, então eventualmente dará respostas aos problemas muito difíceis de entender as singularidades nos buracos negros e no Big Bang”, diz ele. “Uma teoria que descreve coerentemente todas as forças fundamentais da natureza é frequentemente chamada de Teoria de Tudo”, diz Partanen, embora ele próprio não goste de usar o termo. “Algumas questões fundamentais da física ainda permanecem sem resposta. Por exemplo, as teorias atuais ainda não explicam por que há mais matéria do que antimatéria no universo observável.”
Reconciliando o irreconciliável
A chave era encontrar uma maneira de descrever a gravidade em uma teoria de calibre adequada — um tipo de teoria em que as partículas interagem umas com as outras por meio de um campo. “O campo de calibre mais conhecido é o campo eletromagnético. Quando partículas eletricamente carregadas interagem entre si, elas interagem por meio do campo eletromagnético, que é o campo de calibre pertinente”, explica Tulkki. “Então, quando temos partículas que têm energia, as interações que elas têm, simplesmente por terem energia, aconteceriam por meio do campo gravitacional.”
Um dos grandes desafios da física é criar uma teoria da gravidade que funcione da mesma forma que as teorias já existentes para as outras três forças fundamentais — o eletromagnetismo e as forças nucleares forte e fraca. Essas forças são descritas no Modelo Padrão da física de partículas, que usa uma estrutura matemática baseada em simetrias, chamada teoria de gauge. A proposta dos pesquisadores é desenvolver uma versão semelhante para a gravidade, usando simetrias compatíveis com as do Modelo Padrão, em vez das simetrias espaciais da relatividade geral.
Sem tal teoria, os físicos não conseguem conciliar nossas duas teorias mais poderosas, a teoria quântica de campos e a relatividade geral. A teoria quântica descreve o mundo do muito pequeno — partículas minúsculas interagindo de maneiras probabilísticas — enquanto a relatividade geral descreve o mundo mais compacto de objetos familiares e sua interação gravitacional. Elas descrevem o nosso universo de diferentes perspectivas, e ambas as teorias foram confirmadas com extraordinária precisão — porém, são incompatíveis entre si. Além disso, como as interações gravitacionais são fracas, é necessária mais precisão para estudar os verdadeiros efeitos da gravidade quântica além da relatividade geral, que é uma teoria clássica.
“Uma teoria quântica da gravidade é necessária para entender que tipo de fenômenos ocorrem em casos onde há um campo gravitacional e altas energias”, diz Partanen. Essas são as condições em torno dos buracos negros e no universo primordial, logo após o Big Bang — áreas onde as teorias existentes na física deixam de funcionar. Sempre fascinado pelas grandes questões da física, ele descobriu uma nova abordagem para a teoria da gravidade baseada na simetria e começou a desenvolver a ideia com Tulkki. O trabalho resultante tem grande potencial para abrir uma nova era na compreensão científica, da mesma forma que a compreensão da gravidade abriu caminho para a criação do GPS.
Convite aberto à comunidade científica
Embora a teoria seja promissora, a dupla ressalta que ainda não concluiu sua demonstração. A teoria utiliza um procedimento técnico conhecido como renormalização, uma forma matemática de lidar com infinitos que aparecem nos cálculos. Até agora, Partanen e Tulkki demonstraram que isso funciona até certo ponto — para os chamados termos de “primeira ordem” —, mas precisam garantir que os infinitos possam ser eliminados ao longo de todo o cálculo. “Se a renormalização não funcionar para termos de ordem superior, obteremos resultados infinitos. Portanto, é vital mostrar que essa renormalização continua funcionando”, explica Tulkki. “Ainda precisamos fazer uma demonstração completa, mas acreditamos que é muito provável que tenhamos sucesso.”
Partanen concorda. Ainda há desafios pela frente, diz ele, mas com tempo e esforço espera superá-los. “Não sei quando, mas posso dizer que saberemos muito mais sobre isso em alguns anos.” Por enquanto, eles publicaram a teoria como ela está, para que o resto da comunidade científica possa se familiarizar com ela, verificar seus resultados, ajudar a desenvolvê-la ainda mais e desenvolvê-la. “Assim como a mecânica quântica e a teoria da relatividade antes dela, esperamos que nossa teoria abra inúmeros caminhos para os cientistas explorarem”, conclui Partanen.
