Os físicos têm estado ocupados explorando como nosso universo pode emergir como um holograma de uma folha bidimensional. Novas pistas vieram das simetrias encontradas em uma “esfera celestial” infinitamente distante.
Sabemos sobre a gravidade desde o encontro apócrifo de Newton com a maçã, mas ainda estamos lutando para entender isso. Enquanto as outras três forças da natureza são todas devidas à atividade de campos quânticos, nossa melhor teoria da gravidade a descreve como espaço-tempo dobrado. Por décadas, os físicos tentaram usar teorias de campo quântico para descrever a gravidade, mas esses esforços são incompletos na melhor das hipóteses.
Um dos mais promissores desses esforços trata a gravidade como algo como um holograma – um efeito tridimensional que sai de uma superfície plana e bidimensional. Atualmente, o único exemplo concreto de tal teoria é a correspondência AdS/CFT, na qual um tipo particular de teoria quântica de campos, chamada de teoria de campo conforme (CFT), dá origem à gravidade no chamado anti-de Sitter (AdS ) espaço. Nas curvas bizarras do espaço AdS, um limite finito pode encapsular um mundo infinito. Juan Maldacena, o descobridor da teoria, a chamou de “universo em uma garrafa”.
Mas nosso universo não é uma garrafa. Nosso universo é (em grande parte) plano. Qualquer garrafa que contivesse nosso universo plano teria que estar infinitamente distante no espaço e no tempo. Os físicos chamam essa cápsula cósmica de “esfera celestial”.
Os físicos querem determinar as regras para um CFT que pode dar origem à gravidade em um mundo sem as curvas do espaço AdS. Eles estão procurando um CFT para espaço plano – um CFT celestial.
A CFT celeste seria ainda mais ambiciosa do que a teoria correspondente em AdS/CFT. Como vive em uma esfera de raio infinito, os conceitos de espaço e tempo se desfazem. Como consequência, a CFT não dependeria do espaço e do tempo; em vez disso, poderia explicar como o espaço e o tempo surgem.
Resultados de pesquisas recentes deram aos físicos a esperança de que estão no caminho certo. Esses resultados usam simetrias fundamentais para restringir a aparência desse CFT. Os pesquisadores descobriram um conjunto surpreendente de relações matemáticas entre essas simetrias – relações que apareceram antes em certas teorias de cordas, levando alguns a se perguntarem se a conexão é mais do que coincidência.
“Há um animal muito grande e incrível aqui”, disse Nima Arkani-Hamed, física teórica do Instituto de Estudos Avançados em Princeton, Nova Jersey. “A coisa que vamos encontrar será bastante alucinante, espero.”
Simetrias na esfera
Talvez a principal maneira pela qual os físicos sondam as forças fundamentais da natureza seja explodindo partículas para ver o que acontece. O termo técnico para isso é “dispersão”. Em instalações como o Grande Colisor de Hádrons, as partículas voam de pontos distantes, interagem e depois voam para os detectores em qualquer estado transformado ditado por forças quânticas.
Se a interação for governada por qualquer uma das três forças além da gravidade, os físicos podem, em princípio, calcular os resultados desses problemas de espalhamento usando a teoria quântica de campos. Mas o que muitos físicos realmente querem aprender é a gravidade.
Felizmente, Steven Weinberg mostrou na década de 1960 que certos problemas de espalhamento gravitacional quântico – aqueles que envolvem grávitons de baixa energia – podem ser calculados. Nesse limite de baixa energia, “nós acertamos o comportamento”, disse Monica Pate, da Universidade de Harvard. “A gravidade quântica reproduz as previsões da relatividade geral.” Hológrafos celestiais como Pate e Sabrina Pasterski, da Universidade de Princeton, estão usando esses problemas de dispersão de baixa energia como ponto de partida para determinar algumas das regras que a hipotética CFT celestial deve obedecer.
Eles fazem isso procurando por simetrias. Em um problema de espalhamento, os físicos calculam os produtos do espalhamento – as “amplitudes de espalhamento” – e como eles devem se parecer quando atingirem os detectores. Depois de calcular essas amplitudes, os pesquisadores procuram padrões que as partículas fazem no detector, que correspondem a regras ou simetrias que o processo de espalhamento deve obedecer. As simetrias exigem que, se você aplicar certas transformações ao detector, o resultado de um evento de espalhamento permaneça inalterado.
Assim como as interações quânticas podem ser traduzidas em amplitudes de espalhamento que levam a simetrias, os pesquisadores que trabalham com gravidade quântica esperam traduzir problemas de espalhamento em simetrias na esfera celeste e usar essas simetrias para preencher o livro de regras CFT celestial.
“Estamos tentando começar com os ingredientes básicos do dicionário”, disse Pasterski, referindo-se às simetrias, “e depois avançar a partir daí”.
Em novembro, um grupo liderado por Andrew Strominger, da Universidade de Harvard, publicou um artigo que descreve a “álgebra de simetria” que a CFT celestial deve obedecer. A álgebra dita como diferentes transformações de simetria se combinam para formar novas transformações. Ao estudar a estrutura da composição das transformações, Strominger e seus colegas, incluindo Pate, conseguiram restringir ainda mais o potencial CFT. Eles descobriram que o grupo de simetrias na esfera celeste obedecia a uma álgebra bem estudada e bem estabelecida – uma que já apareceu em certas teorias de cordas e está relacionada à descrição de sistemas quânticos conhecidos, como o efeito Hall quântico.
“O fato de que a estrutura em que você pousou é algo que as pessoas exploraram e brincaram antes te encoraja que talvez haja algo nisso”, disse David Skinner, físico teórico da Universidade de Cambridge.
Problemas infinitos
Quando você tem uma teoria que se aplica a uma esfera infinitamente distante, surgem problemas. Considere duas partículas que se juntam e se espalham. Se eles se espalharem em qualquer ângulo diferente de zero, no momento em que alcançarem a esfera celestial infinitamente distante, eles também estarão infinitamente distantes. A noção de distância se desfaz. Nossas teorias normais dependem da localidade, na qual a força das interações entre os objetos depende da distância entre eles. Mas se tudo está infinitamente distante de todo o resto, a CFT deve transcender a localidade.
Ainda mais desconcertante: qual é o conceito de tempo na esfera celeste, que está infinitamente distante tanto no passado quanto no futuro? Não tem significado aqui.
Arkani-Hamed considera o fato de que os conceitos de espaço e tempo se quebram na esfera celeste como uma característica, não um bug. Ele oferece o potencial para explicar o espaço-tempo como uma propriedade emergente de uma teoria mais fundamental.
Outros moderam seu entusiasmo. “Acho emocionante, mas acho que há um longo caminho a percorrer”, disse Skinner. “Há algumas coisas que eu diria que são grandes desafios a serem superados.”
Arkani-Hamed não discorda. “A coisa toda é meio que entender e descobrir qual é a questão. Mas as apostas também são igualmente altas.”
Publicado em 15/01/2022 23h20
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