O que é espaço-tempo? As verdadeiras origens do tecido da realidade (2022)

Uma nova perspectiva arrojada sugereque o espaço-tempo não é uma entidade fundamental, mas emerge do entrelaçamentoquântico, diz o físicoSean Carroll

É a ideia de que o espaço-tempo emergede uma propriedade estranha do mundo quântico que significa que partículas ecampos, esses constituintes fundamentais da natureza, podem ser conectadosmesmo que estejam em extremos opostos do universo.Se isso estivercorreto, poderíamos finalmente ter encontrado uma ponte entre os dois totensirreconciliáveis ​​da física, colocando-nosno limiar de uma teoria da gravidade quântica.Também teríamos a demonstração mais surpreendente ainda deque o mundo que vemos não é o mundo como ele é - que sempre há "algoprofundamente escondido", como Albert Einstein colocou - e que a únicamaneira de entender a natureza fundamental doa realidadeé confrontar a mecânica quântica de frente.

Digamosque você queira conhecer um amigo para um café.Você precisa dizer a elesonde você estará - sua localização no espaço - mas também precisará informarquando.Ambas as informações são necessárias porque vivemos em umcontinuum quadridimensional: espaço tridimensional e tudo dentro dele, desdemáquinas de café a vapor até estrelas explodindo em galáxias distantes, tudoacontecendo em diferentes momentos do tempo unidimensional.

"Espaço-tempo"é simplesmente o universo físico dentro do qual nós e tudo o maisexiste.E, no entanto, mesmo depois de milênios vivendo nela, ainda nãosabemos o que o espaço-tempo realmente é.Os físicos têm se esforçado pararesolver isso por mais de um século.Nos últimos anos, muitos de nóstentamos descobrir quais podem ser os fios dos quais o tecido da realidade étecido.Temos idéias, cada uma com seus próprios pontos de venda edeficiências.Mas, para o meu dinheiro, o mais emocionante é o maissurpreendente.

Saiba mais sobre osmistérios do universo de Einsteinno New Scientist Live, emLondres

O espaço-tempoé uma noção relativamente nova.IsaacNewton não precisava disso.Para ele, espaço etempoeram individualmente reais eabsolutos.Somente quando Einstein formulou sua teoria especial darelatividade em 1905, os dois começaram a se unir.Ele mostrou queobservadores diferentes geralmente dividem o espaço-tempo em "espaço"e "tempo" de maneiras diferentes e incompatíveis;o que é "espaço"e o que é "tempo" são relativos à maneira como um observador está semovendo.

Váriospensadores haviam especulado anteriormente que os dois deveriam serreunidos.No poema em prosa de Edgar Allan Poe, em 1848,Eureka,ele escreveu que "espaço e duração são um". Mas foi somente em 1908que o matemático Hermann Minkowski os unificou de maneira científica.Eleproclamou dramaticamente: "A partir de agora, o espaço para si e o tempopara si serão reduzidos completamente a uma mera sombra, e apenas algum tipo deunião dos dois preservará a independência".

"Comono mundo o espaço-tempo pode existir em uma superposição de váriaspossibilidades?"

(Video) O Espaço-Tempo Explicado

Einsteinnão ficou impressionado, resmungando sobre "aprendizadosupérfluo".Mas ele finalmente chegou à ideia, colocando a geometriado espaço-tempo firmemente no centro de suarelatividade geral.Dizia que o espaço-tempo não éapenas um pano de fundo estático no qual as coisas acontecem.É umaentidade dinâmica, empenada e esticada sob a influência de massa eenergia.A curvatura do espaço-tempo se manifesta para nós como a forçadagravidade.

Aindaassim, seria estranho perguntar do que o espaço-tempo é "feito" nafísica clássica.Na relatividade geral, o espaço-tempo muda ao longo dotempo em resposta a outras coisas.Mas ainda é um pano de fundo e umconstituinte fundamental da natureza.Não é feito de nada;apenasisso".

Osproblemas com essa visão começaram com a descoberta damecânica quântica, as regras que governam ocomportamento das partículas e campos subatômicos.Os cientistas não foramcapazes de construir uma teoria da gravidade da mecânica quântica como fizerampara as outras três forças fundamentais da natureza.Parte da questão étécnica: quando tentamos transformar a relatividade geral clássica em umateoria da mecânica quântica usando técnicas padrão, nossas equações explodem eobtemos respostas sem sentido.Mas parte disso é conceitual.

Amecânica quântica nos diz que existem sistemas em superposições de diferentesquantidades mensuráveis, como posição e velocidade.Não existe "aposição" de uma partícula quântica;existem muitas posiçõespossíveis, que assumem valores definidos somente quando osobservamos.Como no mundo o espaço-tempo pode existir em uma superposiçãode diferentes possibilidades?Isso tornaria impossível dizer com certezaque um determinado evento aconteceu em um local definido no espaço e no tempo.

Físicosde diferentes persuasões adotaram diferentes abordagens para construir umasolução na forma de uma teoria da gravidade quântica.A mais popular é ateoria das cordas, que substitui as partículas por loops e segmentos de cordasvibrantes.A teoria das cordas produz com sucesso uma versão quântica dagravidade, mas não uma que se conecte ao mundo de maneira óbvia.Tampoucoresolve esses problemas conceituais fundamentais.O principal rival da teoria das cordas, a gravidadequântica em loop, é uma tentativa de quantificar diretamente a relatividadegeral.Os proponentes do loop tipicamente levam os desafios conceituais dagravidade quântica mais a sério do que seus colegas exigentes, mas os desafiospermanecem.

Issolevou alguns físicos a dar um passo atrás e fazer a pergunta de uma maneiradiferente.A abordagem padrão para desenvolver uma descrição quântica dealgum fenômeno, como o campo eletromagnético ou uma coleção de átomos, écomeçar com uma descrição clássica e depois "quantizá-la".Essaabordagem falhou repetidamente quando se trata de gravidade eespaço-tempo.Também não é assim que a natureza funciona.O mundoreal não começa classicamente e, de alguma forma, é quantificado.Équântico desde o início, e o mundo clássico surge como uma aproximação.

Entãotalvez não devêssemos tentar quantificar a gravidade.Talvez devêssemosformular uma teoria quântica desde o início e depois mostrar como oespaço-tempo clássico emerge disso.É uma nova abordagem que temconseqüências dramáticas na maneira como pensamos sobre o que é o próprio espaço-tempo.

Ação assustadora

(Video) ‘O tempo não existe’: a visão de Carlo Rovelli, considerado ‘novo Stephen Hawking’ | Ouça 15 minutos

Paraprogredir nessa direção, é útil começar com nossa melhor teoria física atual,que é a teoria quântica de campos.Segundo essa teoria, os ingredientesfundamentais do mundo são campos, como os campos elétrico emagnético.Mesmo partículas como elétrons e quarks são simplesmentevibrações em campos que se estendem pelo espaço.

Classicamente,podemos especificar o valor de um campo de maneira aproximada, dividindo oespaço em pequenas regiões e listando o valor do campo em cadaregião.Depois de nos dedicarmos à teoria quântica de campos, um recursoextra entra em jogo: os valores do campo em diferentes regiões podem serentrelaçados.Devido à incerteza quântica, não sabemos exatamente qualresposta obteremos se medirmos o campo em algum local, mas oentrelaçamentosignifica que a resposta que obtemos em umponto afetará o que mediríamos em qualquer outro ponto.

"Talveztenha sido um erro quantificar a gravidade, e o espaço-tempo estava à espreitana mecânica quântica o tempo todo"

Noestado de vácuo de uma teoria de campo quântico comum - espaço vazio, sempartículas voando ao redor - o emaranhado entre campos em diferentes regiõesestá diretamente ligado à distância entre eles e, portanto, à geometria doespaço-tempo.As regiões próximas estão altamente emaranhadas entre si,enquanto as regiões distantes compartilham pouco emaranhado.

Issosugere uma maneira intrigante de reverter nosso modo de pensar normal e, assim,encontrar espaço-tempo na teoria quântica.Imaginemos começar com apenasum estado quântico, sem noção pré-existente de espaço-tempo.Agora podemostentar trabalhar de trás para frente, para extrair espaço-tempo do emaranhado.

Sena física comum o emaranhamento entre duas regiões diminui à medida que asregiões se afastam, imaginemos definir a distância como (inversamente)relacionada ao emaranhamento.Nesse caso, ter um estado quânticoautomaticamente nos dá a “distância” entre duas partes dele e, portanto, defineuma geometria nesse espaço emergente.

Porenquanto, tudo bem.Mas um estado quântico existe em cada momento dotempo; portanto, na melhor das hipóteses, ele pode definir a geometria doespaço naquele momento.Queremos estender isso para o espaço-tempoquadridimensional.

Felizmente,aqui podemos emprestar um truque do físicoTed Jacobson, da Universidade de Maryland, que, em 1995,mostrou como podemosderivar a equação de Einstein para a relatividade geral a partir desuposições simples sobre a relação entre entropia e geometria.

A entropia,uma medida de desordem, está diretamente relacionada ao emaranhamento: quantomais emaranhada uma região está com o resto do mundo, mais entropia elacontém.Einstein disse que está adicionando matéria ou energia a umaregião que faz com que o espaço-tempo se curve.Jacobson mostrou queaumentar o emaranhamento de uma região pode ter o mesmo efeito, se insistirmosque a quantidade de entropia deve ser proporcional à área que delimita essaregião.Isso é automaticamente verdadeiro no espaço vazio, mas Jacobsonsugeriu que ele permaneça verdadeiro mesmo quando o espaço não estivervazio.Você pode tentar adicionar mais emaranhamento, mas o espaço-tempodobrará para compensar, para que a entropia sempre permaneça proporcional àárea.

Einsteindiz que a energia causa curvatura, enquanto Jacobson diz que o emaranhadocausa.Mas Jacobson também argumentou que é realmente a mesma coisa:sempre que você acrescenta emaranhamento, a energia necessariamentesegue.A partir dessa lógica, ele conseguiu derivar que a curvatura doespaço-tempo em sua abordagem obedecia à mesma equação que Einstein primeiroescreveu para a relatividade geral.A gravidade, ao que parece, podesurgir do entrelaçamento, e não diretamente da massa e energia.Esseresultado notável foi o começo do que hoje é chamado de gravidade"termodinâmica" ou "entrópica".

(Video) Origens: Hipótese da Terra Rara.

Essência da realidade

Masisso não nos leva aonde precisamos estar.Ao derivar sua imagemalternativa de onde a gravidade vem, Jacobson assumiu um espaço-tempo clássicoe imaginou que havia campos quânticos vivendo nele.Idealmente,gostaríamos de manter tudo quântico desde o início e derivar a existência dopróprio espaço-tempo.Isso é algo que tentei recentemente com meuscolaboradores, ChunJun (Charles) Cao e Spiros Michalakis, no Instituto deTecnologia da Califórnia.Em vez de começar com campos quânticos vibrantesvivendo no espaço-tempo,começamos com "graus deliberdade"quânticos completamenteabstratos.

Estaé apenas uma quantidade que pode assumir valores diferentes, independentementede outras quantidades.Na mecânica newtoniana, os graus de liberdade sãoposições e velocidades das partículas;na teoria dos campos, são osvalores e as taxas de mudança dos campos.Em nossa abordagem, os graus deliberdade não têm nenhuma interpretação física direta.Eles são o materialbásico da realidade, a essência da qual tudo é feito - uma espécie de"quantumness" que preexiste a tudo.Mais importante ainda, essesgraus quânticos de liberdade estão entrelaçados um com o outro.

Comisso em mente, contornamos a ideia de Jacobson.Agora podemos definir aárea em torno de uma região como o emaranhamento de seus graus de liberdade como mundo exterior.E, com certeza, a geometria correspondente obedece àequação de Einstein da relatividade geral.A gravidade, em outraspalavras, pode emergir diretamente da essência quântica da realidade, semquantizar qualquer coisa clássica assumida.

Issopode parecer uma conclusão, mas é mais um começo promissor.Muitas premissasentraram em nossa derivação, e se essas premissas se mantêm verdadeiras nanatureza ainda está para ser visto.Mais importante, nossa derivação daequação de Einstein do emaranhado só funciona quando a gravidade é fraca e oespaço-tempo é quase plano.Uma vez que a gravidade se torna forte e oespaço-tempo se curva, como noBig Bangouperto de umburaco negro,fenômenos radicalmente novos se tornam importantes.

Omais dramático deles é o "princípio holográfico", a idéia de que osgraus de liberdade que descrevem um buraco negro podem ser pensados ​​como vivendo no limite, no horizonte de eventos, enão no interior.Juan Maldacena,do Instituto de Estudos Avançadosde Princeton, usou o princípio holográfico para mostrar uma equivalência entre duasteorias muito diferentes: teoria quântica de campos sem gravidade noespaço-tempo quadridimensional e gravidade quântica com energia de vácuonegativa em cinco dimensões.

Trabalhossubsequentes de Mark van Raamsdonk, da Universidade da Colúmbia Britânica noCanadá e outros mostraram que a geometria espaço-temporal no lado da gravidadequântica dessa correspondência está diretamente ligada ao emaranhamentoquântico no lado da teoria de campo.À medida que diminuímos oemaranhamento na teoria de campo, o espaço-tempo no lado da gravidade quânticase separa (consulte “Goma quântica”).

A conexão do buracode minhoca

Maldacenae Leonard Susskind, da Universidade de Stanford, na Califórnia, levaram essaconexão a extremos com uma idéia ousada que chamaram de"ER = EPR".ERsignifica Albert Einstein e Nathan Rosen, que escreveram um artigo em 1935propondo a existência de buracos de minhoca, ou atalhos através doespaço-tempo.Enquanto isso, EPR representa Einstein, Boris Podolsky eRosen, que colaboraram em outro artigo enfatizando o papel do emaranhamento nateoria quântica.Portanto, a conjectura ER = EPR postula que sempre quevocê tem duas partículas emaranhadas, há um pequeno buraco de minhocaconectando-as.

(Video) Afinal, qual a verdadeira definição da mediunidade, com Silvio Figueirôa

Nãoleve isso muito a sério.Os buracos de minhoca que supostamente conectampares de partículas seriam microscopicamente pequenos e impossíveis de passarpor qualquer coisa.Somente quando grandes quantidades de emaranhamento seenvolvem é que começamos a ver uma distorção macroscópica no tecido do espaço.

Alémdisso, nosso universo possui uma energia de vácuo positiva, e não negativa, demodo que as implicações da equivalência revelada no experimento mental deMaldacena com energia de vácuo negativa não se traduz diretamente em umaestratégia acionável para lidar com a gravidade quântica no mundoreal.Eles, no entanto, servem como outra forte dica de que oemaranhamento quântico está no centro de tudo.

“Somentecom grandes quantidades de emaranhado vemos distorções em larga escala naestrutura do espaço”

Todasessas idéias estão, atualmente, em algum lugar entre conjecturas promissoras esonhos otimistas.Não sabemos a melhor maneira de pensar sobre essessupostos graus fundamentais de liberdade que se entrelaçam para criarespaço-tempo, nem sabemos como eles interagem entre si de maneiradetalhada.Ainda não podemos derivar o surgimento de campos quânticos quevivem no espaço-tempo, obedecendo às regras da relatividade.E certamentenão podemos responder perguntas importantes, como por que a energia do espaçovazio é tão pequena ou por que o espaço tem quatro dimensões macroscópicas.

Mesmoassim, imaginar que o espaço-tempo emerge do entrelaçamento quântico é umamaneira promissora de pensar sobre a natureza básica da realidade.Podeser que tenha sido um erro começar com a relatividade geral e tentarquantificá-la;talvez o espaço-tempo estivesse à espreita dentro damecânica quântica o tempo todo.

Emesmo que formular uma teoria completa da gravidade quântica não seja o seucaso, pensar no espaço-tempo dessa maneira deve, pelo menos, colocar uma novainclinação no continuum quadridimensional familiar em que vivemos, correndo noespaço para chegar a tempo para café.

TEMPO ENTREGADO

Na busca de descobriro que está por trás do pano de fundo da realidade que chamamos de espaço-tempo,começamos a entender como a parte do espaço pode emergir do entrelaçamentoquântico.O tempo é uma história diferente.Mas há uma maneira dederivar a quarta dimensão do mesmo fenômeno.

Foi sugerido em 1983por Don Page, agora na Universidade de Alberta, no Canadá, e William Wootters,no Williams College, em Williamstown, Massachusetts.Na mecânica quântica,se um sistema pode estar em vários estados diferentes, podemos adicioná-los emqualquer combinação para criar novos estados, superposições dosoriginais.Um elétron, por exemplo, pode girar no sentido horário ouanti-horário, mas também pode estar em uma superposição de ambos.

Com isso em mente,considere um sistema quântico composto por dois subsistemas: um é um relógio eo outro é tudo o resto.Deixe o sistema como um todo evoluir ao longo dotempo, para que o relógio leia de maneira diferente a cada momento.Agora,tome uma série desses momentos, digamos um por segundo, e junte todos osestados quânticos específicos em todos os momentos - todos os modos como omundo realmente era a cada leitura do relógio.

Isso fornece um novosuperestado, uma superposição de estados individuais com leituras de relógioespecíficas e configurações específicas de todo o resto.Não evolui com otempo.Mas, como se trata de um sistema quântico, o relógio estáemaranhado com o resto do mundo.E se medíssemos o relógio para ver o queele lia, o resto do sistema entraria instantaneamente em qualquer estadoquântico que o sistema original tivesse naquele momento correspondente.

Dessa maneira, otempo pode parecer emergir mesmo em um estado quântico imutável.A chave éo emaranhado;tudo o que precisamos é de um subsistema de relógioemaranhado com o resto do universo da maneira correta.O tempo éexatamente o que seu relógio lê.

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FAQs

O que e o tecido Espaço-tempo? ›

Resposta: De acordo com a Teoria da Relatividade Geral de Einstein qualquer corpo com massa, como por exemplo o Sol, curva o tecido espaço-tempo à sua volta. Essa curvatura acontece em todas as direções. Para visualizar esse efeito recorremos a uma representação a duas dimensões como a da figura abaixo.

O que e o tempo para Einstein? ›

Einstein escreveu, em carta, que a “diferença entre passado, presente e futuro é apenas uma persistente ilusão”. O criador da Teoria da Relatividade referia-se ao fato de o tempo ser relativo, vinculando-o à velocidade.

O que e a relatividade do tempo e do espaço? ›

Na relatividade geral o espaço-tempo é geralmente curvo, adquirindo um carácter dinâmico que lhe permite descrever o comportamento das partículas materiais e da luz na presença de uma dada distribuição de matéria. Como consequência, a estrutura de cones de luz varia de ponto para ponto (Fig.

Quem inventou o Espaço-tempo? ›

1 No entanto, o criador da ideia de que o espaço e o tempo não devem ser vistos separadamente mas, pelo contrário, são duas componentes inseparáveis de uma única enti- dade chamada espaço-tempo não foi Einstein, mas sim Hermann Minkowski (1864–1909).

O que é o tempo para a ciência? ›

O padrão de tempo para fins científicos é uma contagem contínua de segundos determinada não através de um mas sim através de vários relógios atômicos espalhados ao redor do globo, sendo este conhecido como Tempo Atômico Internacional (TAI).

Qual é a velocidade do tempo? ›

Ainda de acordo com os estudos de Einstein, o tempo vai passando cada vez mais devagar até que se atinja a velocidade da luz, de 1,08 bilhão de km/h, o valor máximo possível no Universo. A essa velocidade, ocorre o mais espantoso: o tempo simplesmente deixa de passar!

Porque o tempo não é absoluto? ›

O tempo deveria ser algo relativo, e não absoluto, pois o concebemos a partir da ordem sucessiva das coisas.

Como se mede o tempo no espaço? ›

Tempo de medição em metros no espaço-tempo de Minkowski | Física

Por que a gravidade distorce o tempo? ›

Quanto menor o potencial gravitacional (quanto mais próximo o relógio está da fonte de gravitação), mais lentamente o tempo passa, acelerando conforme o potencial gravitacional aumenta (o relógio se distanciando da fonte de gravitação).

Quanto tempo dura o tempo presente? ›

O momento presente, situado no meio de ambos, é apenas um instante infinitamente curto.

Qual é a origem do tempo? ›

Grandes civilizações dividiram o tempo em unidades que usamos até hoje. Os babilônios, povo que viveu entre 1950 a.C. e 539 a.C., na Mesopotâmia, foram os primeiros a marcar a passagem do tempo. Ao construir o relógio de sol, dividiram o dia em 12 partes e depois em 24, que são as horas que usamos até hoje.

Quais são os principais tipos de tempo? ›

Os quatro tipos de tempo
  • Tempo Vivo – Ritmo. Nós nos aproximamos da verdadeira natureza do tempo ao considerá-lo qualitativamente. ...
  • Tempo Psicológico. A forma como nos relacionamos com o tempo, como o experimentamos, é chamada de dimensão psicológica. ...
  • Tempo do Eu – tempo Livre.

Qual é a origem da palavra tempo? ›

A palavra tempo deriva do latim tempus, oris, fazendo referência ao tempo dos acentos.

Por que a luz não tem massa? ›

A luz é composta de fótons, então poderíamos perguntar se o fóton tem massa. A resposta é definitivamente “não”: o fóton é uma partícula sem massa. Modelo Padrão: fótons ( ) tem carga e massa zero. De acordo com a teoria quântica, um fóton tem energia e momento, mas não tem massa, e isso é mais do que confirmado.

O que causa dilatação do tempo? ›

Dilatação do tempo é um fenômeno relativístico que surge se um corpo se move com uma velocidade similar à velocidade da luz ou ainda se está sujeito a um campo gravitacional diferente.

Como se calcula o tempo? ›

ΔT = ΔS/Vm Usada para medir o intervalo de tempo gasto no deslocamento. Dividi-se o deslocamento pela Velocidade Média. Para transformar unidade menor em uma maior por exemplo: centímetros em metros. Porque em 1 hora existe 3600 segundos.

Qual a frase mais famosa de Albert Einstein? ›

  • “A verdade é aquilo que resiste ao teste da experiência.”
  • “A vida é como andando de bicicleta. Para manter o seu equilíbrio você deve manter em movimento”
  • “Insanidade é: fazer a mesma coisa várias vezes e esperar resultados diferentes”

O que significa a dilatação do tempo? ›

Dilatação do tempo é a diferença na medida do tempo por dois relógios idênticos e perfeitamente sincronizados que surge quando um desses relógios está se movendo em uma velocidade comparável à velocidade da luz ou ainda quando está sujeito a um campo gravitacional diferente do que se encontra o outro relógio.

Por que a gravidade distorce o tempo? ›

Quanto menor o potencial gravitacional (quanto mais próximo o relógio está da fonte de gravitação), mais lentamente o tempo passa, acelerando conforme o potencial gravitacional aumenta (o relógio se distanciando da fonte de gravitação).

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1. Teorias da relatividade e efeito fotelétrico
(Morena Moreira)
2. Simulamos um CHOQUE DE BURACOS NEGROS! Einstein estava certo?
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Author: Clemencia Bogisich Ret

Last Updated: 09/20/2022

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