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L'espace-temps n'est pas la même pour tous

Espaço-tempo não é o mesmo para todos

Com informações da Universidade de Varsóvia - 31/07/2013

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Neste modelo, o espaço-tempo clássico - esse em que vivemos - é criado pela interação da matéria com a gravidade quântica, de forma semelhante a que a estrutura atômica do gelo se forma a partir da água.[Imagem: Faculty of Physics/University of Warsaw]

Fiat Quantum

Antes do Big Bang, o espaço-tempo como nós o conhecemos não existia.

Então, como ele nasceu?

O processo de criação do espaço-tempo que conhecemos a partir de um estado anterior, dominado pela gravidade quântica, tem sido estudado há anos por teóricos do mundo todo.

Agora, novas análises feitas por físicos da Universidade de Varsóvia, na Polônia, sugerem uma conclusão surpreendente: nem todas as partículas elementares estão sujeitas ao mesmo espaço-tempo.

Vários bilhões de anos atrás, imediatamente após o Big Bang, o Universo era tão denso e tão quente que as partículas elementares sofriam a ação da gravidade muito fortemente.

Por décadas, os físicos de todo o mundo têm tentado descobrir as leis da gravidade quântica que descrevem esta fase da evolução do Universo.

O grupo do professor Jerzy Lewandowski propôs seu próprio modelo do universo quântico. E estudos recentes de suas propriedades surpreenderam os pesquisadores.

As análises feitas por Lewandowski e Andrea Dapor mostram que as diferentes partículas elementares "experienciam" a existência de espaços-tempos diferentes.

Gravidade Quântica

Uma das tentativas para descrever a gravidade quântica é chamada de Teoria da Gravidade Quântica em Circuito Fechado, ou modelo LQG, do inglês Loop Quantum Gravity.

Esta teoria assume que o espaço-tempo é estruturalmente bastante semelhante a um tecido, sendo constituído por um grande número de pequenas fibras emaranhadas em anéis. Uma área de um centímetro quadrado pode conter um milhão de trilhões de trilhões de trilhões de trilhões de trilhões (1066) dessas fibras.

Foi o próprio grupo do prof. Lewandowski que desenvolveu um modelo matemático consistente da LQG que combina a mecânica quântica com a relatividade geral.

O modelo pressupõe a existência de dois campos de interação.

Um deles é um campo gravitacional, que pode ser identificado com um espaço, uma vez que, de acordo com a Teoria Geral da Relatividade, a gravidade curva o espaço-tempo, e este espaço-tempo curvo dá origem a efeitos gravitacionais.

O segundo campo no modelo é um campo escalar que atribui um número a cada ponto do espaço. Este campo é interpretado como o elemento mais simples da matéria.

A imagem da realidade nesse modelo é quântica, tendo características muito diferentes das do mundo que experimentamos todos os dias.

Espaço-tempo não é o mesmo para todos
Há muito tempos os físicos tentam desvendar o que aconteceu na noite anterior ao Big Bang. [Imagem: Martin Bojowald]

Do espaço-tempo quântico ao espaço-tempo clássico

Faltava então alinhavar o período quântico com o período clássico que vivemos.

"Nesta situação, parecia natural perguntar: Como é que o espaço-tempo que todos nós conhecemos emerge dos estados primários da gravidade quântica? E, como o espaço-tempo normal nasceria como resultado da interação entre a matéria e a gravidade quântica, poderíamos estar certos de que cada tipo de matéria definitivamente interage com um espaço-tempo que tem as mesmas propriedades?" disse o professor Lewandowski.

Para encontrar respostas para estas perguntas, a equipe primeiro derivou padrões de interação entre a matéria e os efeitos da gravidade quântica para os dois casos matematicamente mais simples: para partículas de massa zero em repouso e para partículas simples (escalares) de massa não-zero em repouso.

No Modelo Padrão, que descreve as partículas elementares e suas interações, as partículas sem massa relevantes seriam os fótons, e partículas escalares com massa seriam o famoso bóson de Higgs, responsável pela massa das outras partículas: quarks e elétrons, múons, taus e seus neutrinos associados.

Depois de derivar as equações que representam o comportamento das partículas de acordo com as leis do modelo da gravidade quântica, os físicos começaram a verificar se equações similares poderiam ser obtidas com o uso do espaço-tempo normal com diferentes simetrias.

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Outra discussão relacionada a esta é se o próprio tempo é real ou é uma ilusão. [Imagem: FQXi]

Isotropia

A tarefa se mostrou possível para as partículas sem massa. O procurado espaço-tempo era isotrópico, ou seja, tinha as mesmas propriedades em todas as direções.

"De acordo com o modelo simplificado que pesquisamos, independentemente de o fóton ter momento maior ou menor, mais ou menos energia, o espaço-tempo aparece para ele como sendo o mesmo em todas as direções," explica o Prof Lewandowski.

Para as partículas com massa a situação foi diferente, com a existência de massa impondo uma condição adicional específica sobre a teoria.

Os físicos demonstraram que um espaço-tempo clássico que satisfaça simultaneamente a condição de massa e tenha as mesmas propriedades em todas as direções não pode ser calculado.

O espaço-tempo apropriado poderia ser encontrado apenas entre espaços-tempos anisotrópicos - a direção preferencial desses espaços-tempos seria a direção do movimento da partícula.

"Partículas com massa não só experienciam diferentes espaços-tempos do que os fótons, mas cada uma vê a sua própria versão particular de espaço-tempo, dependendo da direção em que ela se move. Esta descoberta realmente nos pegou de surpresa," conta Andrea Dapor.

Assim, o espaço-tempo clássico emergiria da interação entre a matéria e a gravidade quântica de forma semelhante a que a estrutura atômica do gelo se forma a partir do congelamento da água líquida e seus átomos desordenados.

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Embora seja difícil comprovar esta nova teoria, dados recentes desafiam a "física pós-Einstein". [Imagem: ESA/SPI Team/ECF]

Comprovação difícil

Será que isto significa que o Universo das partículas com massa não é isotrópico? Tal afirmação seria de enorme importância experimental e observacional. No entanto, a resposta é não, já que o Universo não parece ter uma direção preferencial.

Como observadores que estudam o comportamento das partículas elementares, nós somos clássicos, e não quânticos, e, em certo sentido, estamos "fora" do mundo das partículas.

Assim, não seria relevante que cada partícula "experiencie" seu próprio espaço-tempo - ainda que isto seja real.

Além disso, independentemente da direção do seu movimento, todas as partículas observadas em laboratório têm exatamente as mesmas características.

Por esta razão, confirmar experimentalmente as previsões teóricas da equipe polonesa não será uma tarefa trivial.

Foi esta a conclusão a que chegou a comunidade física que discutiu esses resultados durante a 20ª Conferência Internacional sobre Relatividade Geral e Gravitação, que terminou no último sábado.

 

L'espace-temps n'est pas la même pour tous

 

Avec l'information de l'Université de Varsovie-7/31/2013




Dans ce modèle, l'espace-temps classique-que nous vivons-est créé par l'interaction de la matière avec la gravité quantique, de même à la structure atomique de la glace se forme à partir de l'eau.[Image : Faculté de physique de l'Université de Varsovie]





Fiat quantique

 

Avant le Big Bang, espace et le temps comme nous le savons il n'existait pas.

 

Puis, comme il est né ?

 

Le processus de création de l'espace-temps, que nous savons d'un état antérieur, dominé par la gravitation quantique, a étudié des années par les théoriciens du monde entier.

 

Maintenant, les nouvelles analyses effectuées par les physiciens de l'Université de Varsovie, en Pologne, suggèrent une conclusion surprenante : pas toutes les particules élémentaires sont soumis à la même espace-temps.

 

Il y a plusieurs milliards d'années immédiatement après le Big Bang, l'univers était si dense et si chaud que les particules élémentaires subi l'action de la pesanteur assez fortement.

 

Pendant des décennies, les physiciens du monde entier ont essayé de découvrir les lois de la gravitation quantique qui décrivent cette phase de l'évolution de l'univers.

 

Le groupe du professeur Jerzy Lewandowski a proposé son propre modèle de l'univers quantique. Et des études récentes de ses propriétés a surpris les chercheurs.

 

Les analyses effectuées par Lewandowski et Andrea Dapor montrent que les particules élémentaires différents « expérience » de l'existence d'espaces-temps.

 

Gravité quantique

 

Une des tentatives pour décrire la gravitation quantique est appelée une théorie de la gravitation quantique dans un circuit fermé, ou modèle, gravitation quantique à boucles LQG.

 

Cette théorie suppose que l'espace-temps est structurellement très semblable à un tissu, consistant en un grand nombre de petites fibres emmêlés dans les anneaux. Une zone d'un pouce carré peut contenir 9223372.036854775807 billions (1066) de ces fibres.

 

Le groupe du Prof. Lewandowski qui a développé un modèle mathématique cohérent de LQG combinant la mécanique quantique et la relativité générale.

 

Le modèle suppose l'existence de deux champs d'interaction.

 

L'un d'eux est un champ gravitationnel, qui peut être identifié par un espace, étant donné que, selon la théorie de la relativité générale, gravité déforme l'espace-temps, et cet espace-temps courbe donne lieu à des effets gravitationnels.

 

Le deuxième champ dans le modèle est un champ scalaire qui attribue un numéro à chaque point dans l'espace. Ce champ est interprété comme l'élément le plus simple de la matière.

 

L'image de la réalité dans ce modèle est des caractéristiques très différentes et quantique du monde que nous vivons chaque jour.




Pendant une longue période, physiciens tentent de démêler ce qui s'est passé la nuit avant le Big Bang. [Image : Martin Bojowald]

 

Espace-temps quantique l'espace-temps classique

 

Il lui manquait donc amure période quantique avec l'ère classique, nous vivons dans.

 

"Dans cette situation, il a semblé naturel de se demander : comment l'espace-temps que nous connaissons tous se dégage des États primaires de la gravitation quantique ? Et, comme l'espace-temps normal serait né à la suite de l'interaction entre la matière et quantum gravity, nous pourrons nous assurer que chaque type de matière est certainement interagit avec un espace-temps qui possède les mêmes propriétés? "dit le professeur Lewandowski.

 

Pour trouver les réponses à ces questions, l'équipe tire tout d'abord les modes d'interaction entre la matière et les effets de la gravitation quantique pour les deux cas mathématiquement plus simples : pour zéro particules de mass au repos et à la masse non nulle des particules simples (scalaires) au repos.

 

Dans le modèle standard décrivant les particules élémentaires et leurs interactions, particules sans masse serait les photons pertinents, et les particules scalaires dont la masse serait le fameux boson de Higgs, responsable de la masse des autres particules : quarks et électrons, muons, taus et leurs neutrinos associés.

 

Après vous dérivez les équations qui représentent le comportement des particules selon les lois du modèle de la gravité quantique, les physiciens ont commencé vérifier que les équations similaires pouvaient être obtenues avec l'utilisation de l'espace-temps normal avec des symétries différentes.




Un autre débat lié à ceci est si le temps lui-même est réel ou une illusion. [Image : FQXi]

 

Isotropie

 

La tâche s'est avéré impossible pour des particules sans masse. L'espace-temps recherché est isotrope, c'est-à-dire ont les mêmes propriétés dans toutes les directions.

 

"Selon le modèle simplifié qui nous recherches, quel que soit le photon ont élan plus grande ou plus petites, plus ou moins l'énergie, l'espace-temps lui apparaît comme étant le même dans toutes les directions," explique m. Lewandowski.

 

Pour les particules avec la masse, la situation était différente, avec l'existence de masse en imposant un spécifique de la condition supplémentaire sur la théorie.


02/09/2013
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