Einstein tem que estar errado
A teoria da gravidade de Einstein, conhecida como relatividade geral, tem se destacado por mais de um século, mas não está isenta de limitações. Curiosamente, a própria teoria antecipa suas limitações em cenários como singularidades de buracos negros e o evento do Big Bang.
Ao contrário das teorias que governam as outras três forças fundamentais da física – eletromagnética, nuclear forte e fraca – a relatividade geral tem sido predominantemente verificada em situações de influência gravitacional fraca.
A possibilidade de que a gravidade possa se desviar da relatividade geral em certas partes do universo não foi totalmente descartada ou exaustivamente testada. Físicos teóricos acreditam que tais desvios são inevitáveis.
Einstein postulou que o universo começou com o Big Bang. Em buracos negros, singularidades estão presentes onde espaço e tempo perdem seu significado convencional, e fatores como densidade de energia e pressão atingem valores infinitos, indicando a inadequação da teoria de Einstein nesses contextos, necessitando de uma teoria mais abrangente.
A mecânica quântica, que opera em escalas minúsculas, é considerada capaz de resolver potencialmente essas singularidades do espaço-tempo.
A mecânica quântica opera com dois conceitos fundamentais: a inviabilidade de partículas pontuais e o princípio da incerteza de Heisenberg, que estipula a impossibilidade de determinar com precisão certos valores emparelhados, como a posição e a velocidade de uma partícula, ao mesmo tempo. Isso ocorre porque as partículas em escalas pequenas agem mais como ondas.
A integração da relatividade geral e da mecânica quântica idealmente resultaria em uma teoria isenta desses problemas. No entanto, todas as tentativas de unir essas duas teorias introduziram desvios da teoria original de Einstein.
Portanto, a teoria da gravidade de Einstein é improvável que seja a teoria definitiva da gravidade. Pouco depois de Einstein introduzir sua teoria em 1915, Arthur Eddington, que confirmou a teoria durante o eclipse solar de 1919, começou a explorar alternativas.
Até hoje, a teoria de Einstein passou por inúmeros testes, desde prever a precessão da órbita de Mercúrio até confirmar a existência de ondas gravitacionais. No entanto, desvios da relatividade geral permanecem elusivos.
Um século de pesquisa levou ao modelo de cosmologia Λ-Cold Dark Matter (ΛCDM), onde Λ representa a constante cosmológica de Einstein ou uma energia escura equivalente. A energia escura, uma adição ad hoc dos astrônomos, foi usada para explicar a expansão acelerada do universo. No entanto, o modelo ΛCDM, apesar de se ajustar bem aos dados, é teoricamente insatisfatório e incompleto.
Nos últimos anos, discrepâncias observacionais significativas surgiram. Medidas da constante de Hubble, que avalia a idade e a escala do universo, diferem quando obtidas do fundo cósmico de micro-ondas (universo inicial) e supernovas (universo tardio). Além disso, a natureza dos principais componentes do modelo ΛCDM – energia escura, matéria escura e o campo que impulsiona a inflação do universo inicial – permanece desconhecida.
Um forte argumento para modificar a gravidade é a aceleração do universo, descoberta em 1998 através de observações de supernovas do Tipo Ia. O modelo ΛCDM, baseado na relatividade geral, postula uma energia escura exótica com pressão negativa permeando o universo. O problema é que a natureza dessa energia escura é um mistério, sem justificativa física, embora muitos modelos tenham sido propostos. Uma alternativa à energia escura é a constante cosmológica Λ, que a mecânica quântica sugere que deveria ser vasta, mas observações exigem que seja excepcionalmente pequena.
Alternativas à teoria de Einstein
Será que o problema reside em tentar ajustar as observações cosmológicas à relatividade geral, como tentar encaixar em calças apertadas demais? É possível que estejamos testemunhando os primeiros desvios da relatividade geral e que a enigmática energia escura simplesmente não exista?
Esta hipótese, originária de pesquisadores da Universidade de Nápoles, ganhou tração significativa, mesmo enquanto a hipótese da energia escura permanece forte.
Distinguir a verdade envolve restrições de experimentos no sistema solar, observações recentes de ondas gravitacionais e imagens do horizonte de buracos negros.
Há uma rica história de teorias alternativas de gravidade, datando do trabalho inicial de Eddington em 1923. Uma alternativa popular é a gravidade escalar-tensorial, que simplesmente adiciona um campo escalar (representando uma partícula básica, sem spin) ao quadro gravitacional de Einstein.
As implicações dessa abordagem são significativas. Um fenômeno notável é o “efeito camaleão”, onde essas teorias imitam a relatividade geral em ambientes densos (como estrelas ou o sistema solar) mas divergem significativamente no ambiente de baixa densidade da cosmologia.
Atualmente, o espectro de alternativas à gravidade de Einstein se ampliou dramaticamente. Adicionar apenas uma excitação escalar maciça à gravidade de Einstein – e manter as equações resultantes “simples” para evitar algumas instabilidades fatais conhecidas – resultou na classe muito mais ampla das teorias de Horndeski e desenvolvimentos subsequentes.
Os teóricos passaram a última década deduzindo as implicações físicas dessas teorias. As recentes detecções de ondas gravitacionais forneceram uma maneira de restringir as modificações físicas aceitáveis da gravidade de Einstein.
No entanto, muito ainda precisa ser explorado, com a expectativa de que avanços futuros na astronomia multi-mensageira levem à descoberta de modificações da relatividade geral onde a gravidade é extremamente forte. [Live Science]
