Cientistas propõem nova gravidade para explicar nascimento do universo

Uma equipe internacional de pesquisadores desenvolveu uma teoria revisada da gravidade que pode resolver um dos maiores mistérios da física: como o universo nasceu. A chamada Gravidade Quântica Quadrática busca preencher a lacuna entre a relatividade geral de Einstein e a mecânica quântica nos primeiros instantes do Big Bang.

Liderado por Niayesh Afshordi, professor da Universidade de Waterloo e do Instituto Perimeter, o estudo sugere que a própria gravidade contém os ingredientes necessários para explicar a expansão inicial do cosmos, sem depender de conceitos hipotéticos adicionais. O trabalho questiona a visão tradicional sobre como o universo começou.

O problema com a teoria de Einstein

A relatividade geral, desenvolvida por Albert Einstein em 1915, é extraordinariamente precisa para descrever o universo em grandes escalas. Contudo, a teoria enfrenta um colapso crítico quando aplicada aos primeiros momentos do Big Bang e ao interior de buracos negros.

Nessas condições extremas de densidade, temperatura e curvatura, as equações de Einstein preveem uma singularidade um ponto onde a densidade e a temperatura se tornam infinitas. “Isso geralmente indica que a teoria está sendo levada além do que é confiável”, explica Afshordi. A relatividade geral simplesmente não funciona em energias tão altas quanto as que existiram no nascimento do cosmos.

Cientistas há décadas tentam resolver essa incompletude. A abordagem padrão tem sido aceitar a relatividade geral e depois adicionar camadas extras de teoria principalmente um campo hipotético de inflação para explicar como o universo se expandiu tão rapidamente logo após o Big Bang.

Como a nova gravidade funciona

A proposta de Afshordi e sua equipe inverte essa lógica. Em vez de reparar a relatividade geral com ingredientes adicionais, eles estenderam a própria teoria da gravidade de forma que permaneça consistente mesmo em energias extremamente altas. Essa extensão é o que os físicos chamam de “completude ultravioleta”.

“Nossa abordagem questiona se parte desse comportamento do universo primordial poderia vir diretamente da gravidade, uma vez que ela seja estendida de uma forma que se comporte melhor em energias extremas”, disse Afshordi. A Gravidade Quântica Quadrática mantém as equações de Einstein como base, mas adiciona termos matemáticos que garantem que a teoria funcione em qualquer escala de energia.

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Surpreendentemente, quando a equipe aplicou essa gravidade estendida ao Big Bang, uma fase semelhante à inflação emergiu naturalmente das equações. Não precisou ser inserida manualmente. “Foi impressionante que ela pudesse surgir da própria gravidade”, afirmou Afshordi. O modelo também potencialmente elimina o conceito de uma singularidade inicial aquele ponto impossível onde tudo seria infinito.

Testes observacionais no horizonte

Os pesquisadores apontam para duas direções principais de pesquisa futura:

• Melhorar a compreensão teórica do modelo e testar sua robustez além dos cenários simplificados já estudados
• Elaborar previsões observacionais claras que permitam distinguir essa teoria de modelos de inflação mais convencionais
• Procurar padrões específicos em ondas gravitacionais primordiais
• Analisar marcas sutis na radiação cósmica de fundo (CMB), um fóssil cósmico remanescente da primeira luz do universo
• Usar dados de observações futuras para confirmar ou refutar a hipótese

“Essas são algumas das poucas sondas que podem nos dizer diretamente sobre a física em tempos extremamente remotos”, explicou Afshordi. Se observações futuras detectarem o padrão correto de ondas gravitacionais primordiais, ou marcas distintivas na CMB previstas pelo modelo, isso forneceria uma maneira concreta de testar se essa visão do universo primitivo está correta.

Ajuste com dados atuais

O modelo proposto se ajusta muito bem aos dados cosmológicos disponíveis atualmente. Em alguns casos, ele se adequa melhor a observações do que muitos modelos inflacionários padrão. Isso não prova que a teoria está correta é necessário mais tempo e observações mas oferece esperança de que esse caminho pode levar a respostas genuínas.

A gravidade quântica representa o Santo Graal da física teórica. Unificar a relatividade geral com a mecânica quântica preencheria uma lacuna fundamental em nossa compreensão da natureza. Isso explicaria como funciona o universo nas vastas escalas cósmicas e também nas minúsculas escalas subatômicas onde as duas teorias são incompatíveis.

Se a abordagem de Afshordi e sua equipe se revelar correta, ela não apenas explicará o Big Bang de forma mais consistente. Também significaria que Einstein estava quase certo sua teoria precisava apenas de uma extensão natural para funcionar em energias verdadeiramente extremas, sem necessidade de conceitos adicionais radicalmente novos.