Desde o início do desenvolvimento dessas duas teorias, enquanto coexistem, os cientistas buscam, incansavelmente, maneiras de conciliar a relatividade e a mecânica quântica. A mecânica quântica descreve, de maneira mais do que satisfatória, todo o universo subatômico. Já a Relatividade Geral, descreve com exatidão tudo o que ocorre no universo macroscópico.
A maior prova da funcionabilidade de ambas as teorias é o fato de que elas regem a tecnologia atual. Mas há um problema grave. Quando analisamos a relatividade a partir do mundo subatômico, não há compatibilidade. Da mesma forma, a mecânica quântica não consegue descrever o universo macroscópico. A teoria das cordas, a gravitação quântica, além de muitas outras hipóteses e trabalhos, tentam conciliar as duas grandes teorias que regem o universo. Mas há paradoxos que não podem ser resolvidos — ou pelo menos não até o momento. Conciliar a relatividade e a mecânica quântica não é tarefa simples.
Uma nova maneira de conciliar a relatividade e a mecânica quântica
Cientistas de todo o mundo, de diversas áreas do conhecimento, trabalham nessas pesquisas em busca da famosa teoria de tudo, que tem como principal tarefa conciliar a relatividade e a mecânica quântica. Em fevereiro de 2022, uma equipe de cientistas publicou um estudo em preprint no arXiv. O artigo ainda não foi revisado por pares.
No artigo, os cientistas trazem uma nova leitura para uma das hipóteses que tentam unificar as duas teorias que juntas descrevem o universo. Os cientistas trazem uma hipótese com base em um termo da física chamado de unitaridade. A Unitaridade restringe os sistemas quânticos. Todos os resultados somados de um evento são sempre iguais. Quando as partículas interagem, as probabilidades de todos os resultados possíveis devem resultar em 100%.
O postulado leva o nome de unitaridade porque a condição da partícula é limitada de maneira tal que a evolução temporal do sistema leve a representação por um operador unitário – um operador baseado em um espaço vetorial com algumas particularidades físicas específicas.
Uma implicação da unitaridade é o “vai-vem”. Toda a mudança que ocorra em um determinado sistema quântico deve possuir uma mão dupla e ser totalmente reversível, ao menos matematicamente.
O problema da expansão
Há algumas décadas, Edwin Hubble percebeu que o universo está se expandindo. A expansão do universo é um fato comprovado e sua taxa é calculada, inclusive. Ela é compatível com as teorias e leis que explicam o universo macroscópico, como a Relatividade Geral. No entanto, ela gera um problema, em parâmetros da mecânica quântica. O universo deveria ser diferente no passado do que é hoje, segundo a expansão, mas a unitaridade necessita que haja uma simetria em relação ao passado e futuro. Esse é um dos principais problemas em se conciliar a relatividade e a mecânica quântica.
No mundo cotidiano, ao jogar dados, jogar cara ou coroa, ou pedra, papel, tesoura, temos 100% de probabilidade de haver um resultado. Precisa cair cara ou coroa, e cada um possui uma probabilidade de 50%. Então, a probabilidade de um ou outro cair é 100%.
Entretanto, o mundo quântico funciona pela probabilidade da probabilidade. O nome que isso leva na física é amplitude de probabilidade. Ao elevar a amplitude ao quadrado, obtemos a probabilidade das partículas. Para entender um pouco melhor a importância das probabilidades para o mundo quântico, clique aqui.
A unitaridade diz que a soma das probabilidades, que por sua vez são os quadrados das amplitudes das probabilidades, deve ser igual a 1. Ao mudar os seus estados de energia, as suas probabilidades também se alteram — no entanto, a soma delas é um valor fixo. Essa consideração, por exemplo, levou à descoberta da antimatéria por Paul Dirac em 1920.
Mas a unitaridade não é muito compatível com a expansão do universo. Na verdade, nada. Se você voltar o universo no tempo, ele simplesmente encolhe. Mas se você olhar quanticamente para um fóton, seu comprimento de onda fica cada vez menor, até que, em um momento, a energia concentrada cria um buraco negro. Isso, portanto, gera um paradoxo, pois nesse caso, o universo andando em sua linha do tempo normal, buracos negros microscópicos se tornariam fótons.
Isometria
Os cientistas estão, agora, seguindo uma nova ideia para conciliar a relatividade e a mecânica quântica: a isometria. Uma partícula que segue esse mundo também segue a unitaridade em alguns pontos, mas há um “hack”. A isometria é, em sua definição matemática, uma transformação geométrica onde as figuras mantém as distâncias entre os pontos durante as transformações. Dessa maneira, a partícula respeita a unitaridade, mas é um pouco mais flexível a mudanças.
Eles usaram, para complementar as equações de Schrödinger, a incrível mecânica quântica de Richard Feynman. Com ela, eles conseguem trabalhar o universo em expansão respeitando as leis da mecânica quântica.
Se pensarmos em um estado binário, um universo imaginário pode estar em dois estados binários, 0 ou 1. Em uma regra isométrica criada pelos cientistas, em algum momento ele por chegar em 01101001, iniciando do zero e 10010110, iniciando pelo um. O tamanho aumentou para 8 dimensões, no espaço de Hilbert, mas pela isometria ele respeita a unitaridade. Dessa maneira, a mecânica quântica pode se conciliar com a gravitação. Algumas descobertas recentes parecem trazer suporte à essa ideia, mas apenas o futuro dirá se essa é ou não a chave para a teoria de tudo, que irá conciliar a relatividade e a mecânica quântica.
