When do quantum systems source gravity and how can we test it?

A gravidade é a força que mantém nossos pés no chão e mantém os planetas em suas órbitas, mas é também o mistério mais obstinado da física moderna. Por mais de um século, cientistas tentaram unir duas grandes teorias: a relatividade geral, que descreve a gravidade como o dobramento suave do espaço e do tempo por objetos massivos, e a mecânica quântica, que descreve o comportamento caótico e probabilístico das menores partículas. O problema é que essas duas teorias falam línguas diferentes. Quando os físicos tentam combiná-las, a matemática frequentemente entra em colapso, produzindo valores infinitos e resultados sem sentido. Isso levou muitos a acreditar que a própria gravidade deve ser feita de pequenas partículas discretas, assim como a luz é feita de fótons. No entanto, existe outra possibilidade que há muito é descartada: a de que a gravidade permanece uma força clássica suave, mas só "liga" quando sistemas quânticos interagem com seus arredores de uma forma específica.

Francisco Pipa, um pesquisador da Universidade de Queensland, propõe uma nova maneira de pensar sobre este quebra-cabeça. Seu trabalho sugere que a gravidade não existe como um campo constante gerado por cada partícula quântica o tempo todo. Em vez disso, ele argumenta que um sistema quântico apenas origina um campo gravitacional — ou seja, ele só cria uma atração gravitacional — quando participa de uma cadeia específica de interações que leva a um resultado definido. No mundo quântico, as partículas frequentemente existem em um estado de superposição, onde estão em vários lugares ou estados ao mesmo tempo. Pipa sugere que, enquanto uma partícula permanece neste estado isolado e superposto, ela não gera gravidade. É apenas quando a partícula interage com outra matéria de uma forma que causa a "decoerência" — um processo onde o ambiente força a partícula a escolher um estado único e definido — que ela começa a agir como uma fonte de gravidade. Essa ideia desafia a visão padrão de que a massa sempre cria gravidade, independentemente de essa massa estar isolada ou interagindo.

O artigo delineia um framework onde a gravidade emerge de uma cadeia de eventos de causa e efeito. Pipa chama essas cadeias de "cadeias de determinação estável". Imagine uma sequência onde um sistema quântico interage com outro, criando um registro dessa interação, o que permite que um terceiro sistema interaja, e assim por diante. É apenas dentro dessas cadeias, onde a informação é passada adiante e resultados definidos são estabelecidos, que o campo gravitacional aparece. Se um sistema estiver completamente isolado de tais cadeias, ele evolui sem gerar sua própria gravidade, mesmo que possua massa. Esta abordagem evita a necessidade de quantizar a gravidade em partículas. Em vez disso, trata a gravidade como um fenômeno condicional que surge da maneira como a matéria quântica se estabiliza em estados definidos através da interação.

Para testar essa ideia radical, Pipa propõe vários experimentos que podem distinguir sua teoria das existentes. Uma das principais propostas envolve o experimento Bose-Marletto-Vedral, uma configuração projetada para ver se a gravidade pode emaranhar duas partículas. Neste experimento, duas massas são colocadas em uma superposição de diferentes localizações. Se a gravidade for uma força quântica, ela deve ser capaz de ligar as duas massas, criando um estado quântico compartilhado. A teoria de Pipa oferece a afirmação para a hipótese nula neste experimento: ela prevê que, como as massas estão isoladas e não fazem parte de uma cadeia indutora de decoerência, elas não devem originar um campo gravitacional. Portanto, elas não devem se emaranhar, e o experimento deve mostrar nenhum efeito gravitacional. Se o experimento mostrar emaranhamento, a teoria de Pipa seria refutada. No entanto, se as massas permanecerem não emaranhadas, isso apoiaria a ideia de que a gravidade é condicional.

O artigo também sugere um teste mais direto usando circuitos quânticos. Pesquisadores poderiam construir um circuito onde controlam exatamente quando um sistema entra em uma "cadeia de determinação". Ao isolar um sistema e depois permitir seletivamente que ele interaja com uma cadeia de outros sistemas, eles poderiam ligar e desligar o campo gravitacional do sistema. Se a teoria estiver correta, o sistema deve produzir uma atração gravitacional mensurável apenas quando estiver ativamente fazendo parte da cadeia. Isso permitiria que cientistas usassem computadores quânticos para controlar o próprio ato de originar gravidade, uma capacidade que nunca foi demonstrada antes.

O trabalho de Pipa também aborda a natureza do universo em grande escala. Se a gravidade surge apenas dessas cadeias de interação, então o vácuo do espaço, que é desprovido de tais interações, não teria um campo gravitacional próprio. Isso leva a uma nova maneira de entender a constante cosmológica, a força misteriosa que impulsiona a expansão do universo. O artigo sugere que o valor desta constante pode não ser fixo, mas pode mudar ao longo do tempo conforme o número de interações no universo muda. Isso poderia explicar por que a energia escura está se tornando progressivamente mais fraca, um fenômeno que as teorias atuais têm dificuldade em explicar.

A força desta proposta reside em sua capacidade de resolver paradoxos de longa data sem inventar novas partículas ou forças. Sugere que a "estranheza" da mecânica quântica e a "suavidade" da gravidade não estão em conflito; em vez disso, a gravidade é simplesmente o resultado de sistemas quânticos tornando-se definidos através da interação. O artigo não afirma ter provado esta teoria ainda. Em vez disso, fornece um conjunto claro de regras e previsões que podem ser testadas em laboratório. Ao propor experimentos específicos, como o circuito quântico controlado e a configuração modificada de Bose-Marletto-Vedral, Pipa oferece um caminho para que cientistas determinem se a gravidade é uma força fundamental que existe em todos os lugares ou um efeito condicional que aparece apenas quando o mundo quântico interage consigo mesmo.

As implicações deste trabalho são profundas. Se a gravidade é condicional, significa que o tecido do espaço-tempo não é um palco estático sobre o qual os eventos ocorrem, mas uma estrutura dinâmica que emerge das interações da matéria. Sugere que o universo não é preenchido por um campo gravitacional constante, mas sim que a gravidade é um fenômeno que se espalha através de uma rede de interações, tal como um sinal passando por uma corrente de pessoas. Esta visão poderia resolver o problema das singularidades, os pontos de densidade infinita no centro dos buracos negros. Se a gravidade só existe onde ocorrem interações, então, no núcleo mais profundo de um buraco negro, onde as interações podem cessar, a gravidade simplesmente desapareceria, deixando um espaço plano e vazio em vez de uma singularidade.

Em última análise, este artigo nos convida a repensar a relação entre o mundo quântico e o cosmos. Propõe que a força que molda as estrelas e galáxias não é uma presença de fundo constante, mas uma consequência da maneira como a matéria se estabiliza na realidade. Ao focar nas condições sob as quais a gravidade aparece, Pipa oferece uma nova perspectiva que poderia unir o muito pequeno e o muito grande. O próximo passo é construir os experimentos que possam confirmar ou negar essas ideias, transformando uma possibilidade teórica em uma realidade física.