O loop gravitacional quântico ( Loop Quantum Gravity em inglês ) é uma tentativa de formular, sem espaço de referência, uma teoria da gravidade quântica , e assim unificar a teoria da relatividade geral e os conceitos da física quântica . É baseado na quantificação canônica direta da relatividade geral em uma formulação hamiltoniana , as outras três interações fundamentais não sendo consideradas a princípio. Uma dificuldade da abordagem é que o tempo desempenha um papel singular e que a covariância geral das equações não é mais evidente.
Uma primeira formulação hamiltoniana da relatividade geral foi proposta por Arnowitt , Deser e Misner em 1962, mas a tentativa de quantificação canônica de sua teoria por Wheeler e DeWitt não forneceu resultados conclusivos, as equações obtidas sendo muito difíceis de resolver.
Foi em 1988 que ocorreu um progresso significativo, com a descoberta de novas variáveis canônicas por Abhay Ashtekar . Essas variáveis possibilitaram a quantificação canônica.
Um dos resultados fundamentais dessa teoria é que o espaço apresenta uma estrutura discreta (em oposição ao contínuo espaço-tempo da relatividade geral): as áreas e os volumes do espaço são quantizados. A noção de espaço é até certo ponto substituída pela noção de grãos primitivos, espécies de " átomos " do espaço ou, mais exatamente, de quanta do campo gravitacional, ligados entre si por elos caracterizados por um spin (spin do elo), portanto o nome de rede de rotação ( rede de rotação ).
Uma versão covariante resultante de pesquisas sobre a dinâmica de redes de spin foi formalizada em 2008. Ela leva à definição de uma família de amplitudes de transição comprovada em 2011 e requer a existência de uma constante cosmológica positiva, que é consistente com a observação da aceleração da expansão do Universo .
Essa teoria está parcialmente em competição com a teoria das supercordas .
Aqui está uma lista dos principais físicos que trabalharam nessa teoria em 2012:
Construir uma teoria da gravidade quântica é reconciliar a noção de espaço-tempo da relatividade geral com as noções de energia e matéria da mecânica quântica . Isso equivale a integrar os princípios e consequências revolucionárias de cada uma dessas duas teorias, e reuni-los em uma nova abordagem teórica que tornaria possível descrever o mundo em todas as escalas.
No modelo da física clássica , baseado nas forças da gravidade modelado por Isaac Newton , o espaço é percebido como um palco no qual eventos físicos acontecem, bem como uma caixa em que "partículas sólidas" ou "objetos físicos" evoluiriam de acordo com a um tempo definido e absoluto, qualquer que seja o observador.
O modelo da física clássica permanece incompleto e é o trabalho de Michael Faraday e James Clerk Maxwell , que, na XIX th século, vai melhorar. Esses dois físicos estudaram como definir a força elétrica que conecta dois objetos de cargas opostas. Faraday trouxe à tona a noção de campo magnético e Maxwell conseguiu unificar as forças magnética e elétrica por meio de um novo "objeto físico": o campo eletromagnético .
Este campo é percebido por Faraday como um conjunto de linhas preenchendo todo o espaço e sendo capaz de conectar dois objetos carregados, mas a grande descoberta foi entender que este campo é uma entidade autônoma que existe independentemente das cargas elétricas. Podemos, portanto, imaginar que as chamadas linhas de Faraday estão sempre presentes e formam curvas fechadas no espaço. Poderíamos então considerar o Universo como composto de um espaço fixo, o de Newton, contendo partículas e campos.
Um terceiro passo foi dado por Albert Einstein , que afirmou em sua teoria da relatividade geral um conceito radicalmente diferente, no sentido de que a gravitação não é uma força, mas a manifestação da curvatura do espaço e do tempo na presença de matéria ou energia. Espaço e tempo estão intimamente interligados e são vistos na forma de um campo gravitacional dinâmico, muito parecido com o campo eletromagnético de Maxwell. A consequência é significativa: o espaço de Newton não existe, é na realidade um campo gravitacional. Assim, não devemos mais considerar que existem campos que se propagam em um espaço newtoniano, mas sim que campos se propagam sobre outros campos: o Universo é feito de partículas e campos, o espaço como o considerado pela física clássica não existe mais.
Porém, se se quer construir uma teoria da gravitação a partir das descobertas da física relativística e quântica, uma abordagem consistiria em descrever o campo gravitacional em termos de "nuvem de probabilidades". Este campo (espaço-tempo) deve, portanto, apresentar uma estrutura granular na forma de uma nuvem de grãos do espaço-tempo, cuja dinâmica deve ser probabilística.
Em 1986, Abhay Ashtekar reformulou a relatividade geral de Einstein de uma forma mais próxima das equações da física fundamental atual. Pouco depois, Ted Jacobson e Lee Smolin percebem, usando a reformulação de Ashtekar, que a equação quântica do campo gravitacional, conhecida como equação de Wheeler-DeWitt , admite soluções associadas a uma curva fechada no espaço.
Carlo Rovelli e Lee Smolin definem uma teoria quântica da gravidade independente do espaço, onde esses loops constituem as linhas individuais do campo gravitacional. Jorge Pullin e Jurek Lewandowski entendem que as interseções desses loops são essenciais para a consistência da teoria e que a teoria deve ser formulada em termos de loops que se cruzam, ou redes. A teoria implica que a noção de espaço-tempo deve ser substituída por uma interação de partículas e loops de campo gravitacional. O espaço-tempo torna-se granular e probabilístico.
Em 1994, Rovelli e Smolin mostram que os operadores quânticos da teoria associam superfícies e volumes a um espectro discreto. Nesta teoria, o espaço é quantizado. Esses resultados são obtidos graças às contribuições das redes de spin , objetos matemáticos estudados pelo matemático Roger Penrose . Eles mostram que o volume é uma variável não contínua e que, no modelo desta teoria, o espaço é composto por quanta de espaço materializado nas interseções dos loops. Tornam-se, portanto, mais importantes do que os links que os conectam, e assim se torna possível representar o espaço em forma de grafo e, portanto, obter uma rede. No mesmo enlace unindo dois quanta (dois nós), é possível encontrar várias linhas de campo (porções de loops). Este número de linhas de campo é um inteiro associado a cada link denominado "rotação do link". É assim que o espaço é representado por uma rede de spins. Essas redes de spin descrevem com precisão a estrutura quântica do espaço, que pode ser completamente definida por uma nuvem de probabilidade de redes de spin conhecida como “ espuma de spin” . A descoberta de um espaço composto por loops que chegam cronologicamente antes da descoberta da rede de spin, esta teoria tem sido historicamente chamada de "gravidade quântica em loop".
A versão covariante (espuma de spin) dessa dinâmica desenvolvida nas últimas décadas, formalizada em 2008 pelo trabalho conjunto de equipes de pesquisa na França, Canadá, Reino Unido, Polônia e Alemanha, leva à definição de uma família de amplitudes de transição que no limite clássico pode ser visto como relacionado a uma família de funções de truncamento de equações derivadas da relatividade geral. A existência dessas amplitudes foi comprovada em 2011.
A pesquisa sobre as consequências físicas da teoria está se desenvolvendo em várias direções. Entre estas, a aplicação mais desenvolvida até à data diz respeito à cosmologia e, em particular, ao estudo do Universo primordial e à física do Big Bang . Sua consequência mais espetacular seria (porque a gravidade quântica em loop ainda não é uma teoria estabelecida) que a evolução do Universo pode continuar além do Big Bang. O Big Bang, portanto, parece ser substituído por uma espécie de salto cósmico (ver Big Bounce ) de um Universo pré-existente (talvez o mesmo) após sua fase de contração.
O maior desafio da teoria do loop quântico era explicar, desde o seu início, uma maneira pela qual o espaço-tempo clássico emerge. Os principais resultados da gravidade quântica em loop, demonstrados usando teoremas rigorosos, são:
Muito esforço é investido na aplicação da teoria aos fenômenos do mundo real, como uma descrição precisa dos horizontes dos buracos negros proporcionando a expressão correta da entropia, de acordo com as previsões de Bekenstein e Hawking . Progresso significativo foi feito em 2005 por Carlo Rovelli e sua equipe no Centro de Física Teórica de Marselha, em relação à descoberta de fortes indícios de que a teoria prevê que duas massas se atraem de forma idêntica. Esses resultados também indicam que, para baixas energias, a teoria possui grávitons, o que torna a gravidade quântica em loop uma verdadeira teoria da gravitação.
Alguns temas de pesquisa de ponta atuais estão relacionados à previsão de mudanças no resultado de Hawking para a termodinâmica de buracos negros que, se medidos, podem validar ou invalidar a teoria. A teoria também serve de base para modelos que permitem o estudo de geometrias com forte dependência temporal dentro de buracos negros. Os cálculos indicariam que a singularidade dentro de um buraco negro é substituída pelo que é chamado de "rebote espaço-tempo". Assim, o tempo pode continuar além do limite onde, de acordo com a relatividade geral, deve terminar. A teoria especula que o tempo fluiria para outra região recém-criada do espaço-tempo, muito parecido com uma velha especulação de Bryce De Witt e John Archibald Wheeler. A informação, portanto, não seria perdida, ela iria para uma nova região do espaço-tempo.
As mesmas técnicas são usadas para estudar o que está acontecendo no início do Universo. Pelas indicações encontradas, segundo as quais a singularidade seria eliminada, a teoria prevê a existência do Universo antes do Big Bang. Os resultados desses estudos permitiram o desenvolvimento de previsões precisas sobre os efeitos da gravidade quântica que logo poderiam ser observados no fundo difuso cósmico.
Recentemente, foi descoberto que a gravidade quântica em loop pode dar uma contribuição particularmente interessante para o problema da unificação. Na verdade, a teoria já contém partículas elementares, e resultados recentes sugerem que elas se enquadram precisamente na física de partículas do Modelo Padrão (veja a seção correspondente do artigo Preon ).