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O universo é quântico I

sexta-feira, 25 mar 2011; \12\UTC\UTC\k 12 Deixe um comentário Go to comments

A gravitação quântica pode estar ali na esquina…

Este vai ser o primeiro do que eu espero ser uma série de posts sobre os recentes avanços em cálculos de gravitação quântica em Cosmologia. Serão em tom de divulgação, mas com alguns detalhes técnicos aqui e ali. Eu não vou me preocupar em dar detalhes de referências no texto porque toma tempo e quem tiver interesse é só procurar ou perguntar. :)

Essa história começa com o seguinte problema. Suponha que eu aqui na Terra com um telescópio queira saber toda a evolução que trouxe a sopa primordial do universo até a formação de todas as galáxias:

 

A distribuição das galáxias no céu visto da Terra depende da posição relativa da Terra as galáxias vizinhas, o que nenhuma teoria cosmológica pode nos dizer. O que nós podemos calcular são na verdade aspectos probabilísticos do universo, como a densidade de massa média em um volume que contém muitas galáxias, ou o número de galáxias a uma dada distância d de outra galáxia. Olhando cada galáxia nas figuras dos telescópios e determinando quantas galáxias estão ao redor dela a uma certa distância d e depois tirando a média dessa quantidade para todas as galáxias vistas no telescópio pode-se tirar um estimador aproximado de como as galáxias estão distribuídas, e então comparar essa função de d com uma previsão da física.

Naturalmente, a física clássica não pode fornecer essa previsão: não faz parte do arcabouço conceitual clássico o conceito de probabilidades associadas aos observáveis físicos. As equações da Relatividade Geral para um fluido como a matéria escura, uma vez dadas as condições iniciais, tem uma evolução futura única. Quando os cosmólogos nos anos 60 toparam com essa questão, a estratégia foi introduzir artificialmente variáveis aleatórias no problema. Então, por exemplo, se A(\mathbf{x}, t) é um observável cosmológico (como a massa que existe no universo), os cosmólogos passaram a escreve-lo assim:

A(\mathbf{x}, t) = \sum_n \alpha_n(\mathbf{x}) A_n (t)

onde A_n(t) é cada uma das possíveis evoluções temporais da Relatividade Geral (t é o tempo) e \alpha(\mathbf{x}) é uma variável estrangeira a teoria que tem algum tipo de distribuição de probabilidade para como o observável se distruibui no espaço, por exemplo:

\langle\alpha_n \rangle = 0
\langle \alpha_n \alpha_m \rangle = P_{nm}

etc., onde \langle O \rangle quer dizer que estamos calculando o valor médio da variável aleatória O com respeito a alguma lei de probabilidade (por exemplo, no problema de um dado não viciado, cada face pode ter uma regra de probabilidade 1/6, e nós poderíamos definir a média de cada face \langle\alpha_i\rangle = 1/6, e a chance de tirar duas faces iguais \langle\alpha_i\alpha_j\rangle = (1/6)\times(1/6)). Na física clássica não existe nada que possa nos dizer a priori qual a distribuição de probabilidades (a não ser um chute!). (Na verdade a distribuição é feita no espaço de Fourier e não sobre o espaço-tempo).

A solução desse problema foi proposta em 1981 pelos russos Viatcheslav Mukhanov e Gennadiy Vasilevich Chibisov, então do Instituto de Física Teórica de Lebedev. Muita gente também dá crédito aos físicos do ocidente que puxaram a descoberta no contexto do modelo inflacionário logo em seguida: Stephen Hawking, Alan Guth e So-Young Pi, James Bardeen, Paul Steinhardt e Michael Turner.

Mukhanov e Chibisov fizeram um cálculo proposto a eles pelo colega Starobinsky: computar as flutuações quânticas do campo gravitacional em um modelo cosmológico proposto por Starobinsky. A suspeita era que os efeitos poderiam ser “grandes” e invalidar todo o modelo cosmológico. O que Mukhanov e Chibisov encontraram é que a distribuição de probabilidades do campo gravitacional quantizado no modelo de Starobinsky era idêntica a distribuição de massa do universo que acreditava-se na época ser necessária para garantir a formação das galáxias no modelo do Big Bang (apesar de que a distribuição de galáxias ainda não tinha sido observada em 1982!). Ora, se a fórmula é idêntica, a física deve ser a mesma: eles propuseram então que a origem da distribuição das galáxias era a gravitação quântica no universo primordial. A solução é muito elegante, pois promover os observáveis cosmológicos a observáveis em mecânica quântica permite associar a eles distribuições de probabilidades de forma natural. Mais importante, permite prever a distribuição de probabilidades do universo.

Hoje em dia a idéia é assim: o universo começou no vácuo, e passou por um período em que as distâncias entre dois pontos cresceram exponencialmente — a inflação. As flutuações quânticas do vácuo são pequenas, mas durante o período inflacionário elas são esticadas de um tamanho de 10-25 cm (cem bilhões de bilhões de vezes menor que o próton) até ao tamanho de uma galáxia. Essa flutuações querem dizer que a intensidade do campo gravitacional não é a mesma no espaço, o campo gravitacional tem uma probabilidade associada a ele de ter valores diferentes, igual como as probabilidades associadas a posição do elétron no átomo de hidrogênio. Os picos e vales de intensidade do campo gravitacional são essas flutuações. Eu já tinha escrito sobre isso no blog aqui.

Mas como é possível que o formato do campo gravitacional quântico no universo primordial possa ter dado origem as galáxias, se a inflação aconteceu mais de 100 milhões de anos antes das galáxias começarem a se formar? A física posterior a inflação não iria bagunçar o campo gravitacional do universo, como por exemplo, através de transições de fases, ou as colisões de prótons a altas energias, ou a formação do plasma de quarks e gluons?

Devido a inflação, essas flutuações se tornam tão grandes — do tamanho de uma galáxia! — que elas são muito maiores que a distância que a luz pode percorrer durante boa parte da história do universo. Quando o universo tinha 3 minutos, por exemplo, a distância que a luz pode percorrer desde o início do universo é de 3 minutos-luz; em comparação, uma galáxia tem cerca de 30 mil anos-luz de diâmetro. Só quando o universo já tinha mais idade que essas flutuações quânticas começam a ser influenciadas por outros efeitos físicos. Por uma boa coincidência de escalas, a temperatura do universo aos 3 minutos de idade era cerca de 1 MeV, que é a escala de energia típica da física nuclear, então esses outros efeitos que alteram a distribuição quântica primordial são física muito bem conhecida: física nuclear “para baixo”.

É curioso como se fala tanto que a física do LHC e do RHIC tem a ver com o Big Bang quando na verdade se sabe que qualquer efeito dessas escalas de energia não tem relevância para cosmologia.

Alguém ai entendeu alguma coisa?

No próximo post eu vou falar sobre os trabalhos recentes sobre as interações dos grávitons no universo primordial que afetam os observáveis cosmológicos, que em breve pode constituir um dos primeiros testes das interações da gravitação quântica graças ao satélite Planck. E depois sobre como se trombou com as diversas dificuldades da quantização da gravidade, e como a Cosmologia tem dado uma luz sobre como fazer contas com a Relatividade Geral quantizada.

Uma palestra técnica sobre o assunto você pode ver aqui, é o seminário “Cosmological Correlations” do Steven Weinberg. Já está desatualizada, mas eu não conheço nenhuma outra mais moderna.

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  1. Guilherme Pimentel
    sábado, 26 mar 2011; \12\UTC\UTC\k 12 às 19:26:43 EDT

    Uma conferencia bem recente sobre o assunto de correlações cosmológicas

    http://pirsa.org/C10023

    []s

    • sábado, 26 mar 2011; \12\UTC\UTC\k 12 às 20:01:37 EDT

      Obrigado Guilherme pela dica, não estava ciente desses seminários. É bom que são todos sobre os assuntos dos próximos posts ;-) Eu estou esses dias mesmo aprendendo sobre a regularização que o Weinberg fala nesses seminários.

  1. segunda-feira, 28 mar 2011; \13\UTC\UTC\k 13 às 13:54:57 EDT
  2. terça-feira, 5 abr 2011; \14\UTC\UTC\k 14 às 19:08:36 EDT

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