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Temos 4 forças fundamentais da natureza. ‘Gravidade quântica’ pode ajudar a nos levar a um quinto misterioso
Durante décadas, os cientistas procuraram uma quinta força fundamental da natureza que pudesse explicar aspectos misteriosos do universo, como a energia escura e a matéria escura. Estas são partes do nosso cosmos que simplesmente não podem ser explicadas pelas quatro forças fundamentais que conhecemos: a gravidade e o eletromagnetismo, bem como as forças nucleares forte e fraca.
Além disso, embora a caça a esta força esteja em curso, os investigadores também têm procurado desesperadamente uma teoria de gravidade quântica. Isso porque a gravidade quântica pode unir a melhor descrição que temos do universo em grandes escalas – a teoria da relatividade geral – e a física do subatômico, também conhecida como mecânica quântica. Ambas as teorias surgiram no início do século XX e foram confirmadas experimentalmente repetidas vezes, mas recusam-se firmemente a sobrepor-se numa única teoria unificada.
Mas agora, estas duas buscas científicas se sobrepuseram. Uma nova pesquisa construiu uma estrutura de gravidade quântica – descobrindo que ela realmente oferece pistas sobre o potencial quinto forças fundamentais da natureza.
As descobertas da equipa revelam que nem todas as sugestões potenciais para uma quinta força fundamental, que se manifestaria como um pequeno desvio da lei da gravitação de Isaac Newton a distâncias muito pequenas e seria descrita por dois parâmetros: a sua força e o alcance sobre o qual actua. Em essência, a pesquisa poderia restringir a busca por uma quinta força fundamental.
“Um dos principais desafios foi superar um obstáculo principalmente conceitual: a gravidade quântica é muitas vezes vista como um tópico extremamente abstrato, quase impossível de ser conectado a fenômenos observáveis”, disse Alfio Bonanno, do Instituto Nacional de Astrofísica (INAF), em comunicado enviado por e-mail e traduzido do italiano. “De certa forma, é como estar diante de uma montanha que todos consideram inescalável. O primeiro passo não é técnico, mas mental: convencer-se de que realmente existe um caminho possível. Este trabalho deriva precisamente desta ideia: buscar uma conexão concreta entre a física de escalas infinitesimalmente pequenas e fenômenos potencialmente observáveis no mundo real.”
A estrutura da gravidade quântica explorada pela equipe é chamada de “segurança assintótica”, que afirma que gravidade pode permanecer consistente e controlado mesmo em altas energias, graças à interrupção da força da atração gravitacional. Para que esta teoria permaneça válida em níveis elevados de energia, Bonanno e colegas descobriram que o alcance e a força de uma quinta força fundamental eram limitados, resultando numa região excluída destes parâmetros.
“O aspecto mais interessante é que parte da região teoricamente excluída ainda não foi explorada experimentalmente”, disse Bonanno. “Isso significa que futuras medições de gravitação de alta precisão poderiam testar diretamente – e potencialmente falsificar – esta classe de modelos quânticos inspirados na gravidade.”
Normalmente, os físicos levantam hipóteses sobre novas forças e então determinam se elas poderiam ser detectadas por experimento; esta pesquisa adota uma abordagem diferente ao excluir certas possibilidades para as características de uma força proposta. O facto de grande parte da região excluída pela equipa não ter sido explorada experimentalmente estabelece as bases para fazer medições precisas da gravidade para testar a gravidade quântica.
“Nosso estudo mostra que a gravidade quântica pode não apenas ser uma teoria válida em energias extremas e inatingíveis, mas também pode ter consequências concretas e testáveis em escalas muito maiores”, disse Emiliano Glaviano, do INAF, no comunicado. “A física das distâncias infinitesimalmente pequenas poderia deixar traços observáveis no mundo macroscópico: algumas possíveis novas forças da natureza seriam descartadas não por experimentos, mas diretamente pelas leis fundamentais da teoria.”
Esta pesquisa se aplica à física nas escalas minúsculas da física quântica, onde a gravidade quântica deveria emergir, às escalas dos objetos planetários. Assim, vestígios desta teoria quântica da gravidade ou de uma quinta força fundamental que aparece como desvios das leis de Newton deveriam ser testáveis com uma ampla gama de experimentos. Isso inclui o uso de uma técnica chamada interferometria atômica ou sensores quânticos para fazer medições em todo o sistema solar, como o alcance do laser lunar, ou em escalas astronômicas mais amplas, como a medição da dinâmica dos planetas.
A pesquisa da equipe foi publicada na edição de maio da revista Cartas de revisão física.
