A busca por uma teoria de **gravidade quântica (GQ)** visa unificar a relatividade geral (RG) e a mecânica quântica (MQ), duas estruturas teóricas fundamentais, porém incompatíveis. Abaixo estão os principais problemas em aberto, suas causas, impactos e possíveis soluções propostas:
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### 1. **Problema do Tempo**
- **Causa**: Na RG, o tempo é dinâmico e entrelaçado ao espaço, enquanto na MQ, ele é um parâmetro fixo. Ao quantizar a gravidade, equações como a **equação de Wheeler-DeWitt** sugerem um universo "sem tempo" (timeless), eliminando a noção clássica de evolução temporal.
- **Impacto**: Dificuldade em definir estados quânticos e evolução unitária, essenciais para a MQ.
- **Soluções Propostas**:
- **Tempo Relacional**: Definir tempo via relações entre observáveis físicos (ex.: relógios quânticos).
- **Teorias de Gravidade Quântica Canônica**: Abordagens como a **Loop Quantum Gravity (LQG)** reinterpretam o tempo como um grau de liberdade emergente.
- **Formulações Covariantes**: Teorias como a gravidade quântica em espaços-tempo causais (Causal Dynamical Triangulations) reintroduzem tempo via discretização.
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### 2. **Natureza do Espaço-Tempo em Escalas Quânticas**
- **Causa**: Singularidades em RG (ex.: buracos negros, Big Bang) sugerem que o espaço-tempo clássico não é fundamental. A quantização exige uma descrição nova, possivelmente discreta ou emergente.
- **Impacto**: Desafia a noção de continuidade do espaço-tempo e afeta modelos cosmológicos e de buracos negros.
- **Soluções Propostas**:
- **Geometria Discreta**: Na LQG, o espaço é quantizado em "átomos" de volume (redes de spin).
- **Emergência do Espaço-Tempo**: Em teorias como **AdS/CFT** (holografia), o espaço-tempo emerge de teorias quânticas não-gravitacionais em dimensões inferiores.
- **Espuma Quântica**: Conceito de Wheeler, onde flutuações quânticas criam uma estrutura espumosa em escalas de Planck (~10⁻³⁵ m).
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### 3. **Renormalização e Perturbações**
- **Causa**: A RG é não-renormalizável em abordagens perturbativas tradicionais, gerando infinitos não-controláveis ao quantizar o campo gravitacional.
- **Impacto**: Impossibilita uma teoria efetiva da gravidade quântica usando métodos padrão.
- **Soluções Propostas**:
- **Teoria das Cordas**: Substitui partículas pontuais por cordas unidimensionais, suavizando divergências.
- **Segurança Assintótica**: Na **Quantum Einstein Gravity (QEG)**, a teoria torna-se renormalizável em altas energias via pontos fixos no grupo de renormalização.
- **Abordagens Não-Perturbativas**: Como a LQG, que evita expansões perturbativas.
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### 4. **Paradoxo da Informação em Buracos Negros**
- **Causa**: Radiação de Hawking parece destruir informação quântica, violando a unitariedade da MQ.
- **Impacto**: Questiona a compatibilidade entre RG e MQ e a natureza da termodinâmica de buracos negros.
- **Soluções Propostas**:
- **Preservação da Informação**: A correspondência **AdS/CFT** sugere que a informação é codificada no horizonte de eventos e preservada.
- **Firewalls**: Regiões de alta energia no horizonte poderiam destruir informação, mas conflitam com o princípio da equivalência.
- **Teoria de Cordas**: Microestados de buracos negros em teoria das cordas explicam entropia via contagem de estados (efeito fuzzball).
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### 5. **Problema da Constante Cosmológica**
- **Causa**: A energia do vácuo prevista pela QFT é ~10¹²⁰ vezes maior que o valor observado (energia escura). A RG não explica essa discrepância.
- **Impacto**: Indica uma incompatibilidade profunda entre QFT e RG em escalas cosmológicas.
- **Soluções Propostas**:
- **Ajuste Fino Antrópico**: No **multiverso da teoria das cordas**, nosso universo é uma "ilha" com constante cosmológica pequena.
- **Modificações da RG**: Teorias como **gravidade massiva** ou **entropia gravitacional** (entropic gravity) tentam redefinir a constante.
- **Emergência da Energia Escura**: Propõe-se que a energia escura seja um efeito quântico coletivo.
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### 6. **Unificação com Outras Forças**
- **Causa**: A gravidade resiste à inclusão no Modelo Padrão devido à sua natureza geométrica e à falta de bósons de spin-2 mediadores.
- **Impacto**: Falta de uma "teoria de tudo" que unifique todas as interações.
- **Soluções Propostas**:
- **Teoria das Cordas/M**: Unifica forças via vibrações de cordas e dimensões extras (10 ou 11 dimensões).
- **Gravidade Quântica em Loop**: Foca na quantização direta da RG, sem unificação, mas explora conexões com partículas.
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### 7. **Testes Experimentais**
- **Causa**: Efeitos da GQ ocorrem em escalas de energia próximas à de Planck (~10¹⁹ GeV), inacessíveis a experimentos atuais.
- **Impacto**: Dificuldade em validar teorias, levando a debates puramente teóricos.
- **Soluções Propostas**:
- **Observações Cosmológicas**: Busca por assinaturas em fundo cósmico de micro-ondas ou ondas gravitacionais.
- **Experimentos de Laboratório**: Simulações analógicas (ex.: condensados de Bose-Einstein) ou medições de decoerência quântica em sistemas macroscópicos.
- **Astrofísica de Buracos Negros**: Estudo de evaporação via radiação Hawking ou "ecos" de gravidade quântica em fusões de buracos negros.
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### 8. **Holografia e Emergência**
- **Causa**: A **conjectura holográfica** sugere que a gravidade em um volume pode ser descrita por uma teoria quântica em sua fronteira.
- **Impacto**: Questiona se o espaço-tempo é uma ilusão emergente de graus de liberdade quânticos.
- **Soluções Propostas**:
- **Correspondência AdS/CFT**: Relaciona teorias gravitacionais em espaço anti-de Sitter (AdS) a teorias de campo conformes (CFT) sem gravidade.
- **Emergência via Entrelaçamento**: Espaço-tempo pode surgir de estados entrelaçados em teorias quânticas.
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### 9. **Problemas Filosóficos e Conceituais**
- **Causas**: Interpretações da MQ (ex.: Copenhagen, muitos mundos) podem conflitar com a noção de espaço-tempo clássico.
- **Impacto**: Dificulta consenso sobre a "realidade física" em GQ.
- **Soluções Propostas**:
- **Interpretações Realistas**: Como a **teoria de Broglie-Bohm**, adaptada à GQ.
- **Abordagens Operacionais**: Focar em previsões observáveis, evitando questões metafísicas.
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### Conclusão
Os problemas da GQ são profundamente interligados e exigem avanços teóricos (ex.: matemática de geometrias não-comutativas) e experimentais. Embora abordagens como a teoria das cordas e a LQG tenham progressos parciais, nenhuma teoria é universalmente aceita. A detecção de efeitos quântico-gravitacionais em observações cósmicas ou laboratoriais pode oferecer pistas decisivas, mas a unificação final provavelmente demandará uma revolução conceitual comparável à relatividade ou MQ.
