A relatividade geral, a teoria da gravidade de Einstein, nos fornece uma base útil para modelar matematicamente o universo de grande escala - enquanto a teoria quântica nos fornece uma base útil para modelar a física de partículas subatômicas e a provável física de pequena densidade e alta densidade de energia de o universo primitivo - nanossegundos após o Big Bang - cuja relatividade geral apenas modela como uma singularidade e não tem mais nada a dizer sobre o assunto.
As teorias da gravidade quântica podem ter mais a dizer. Estendendo a relatividade geral em uma estrutura quantizada para o espaço-tempo, talvez possamos preencher a lacuna entre a física de pequena e grande escala. Por exemplo, há uma relatividade duplamente especial.
Com a relatividade especial convencional, dois quadros de referência inerciais diferentes podem medir a velocidade do mesmo objeto de maneira diferente. Portanto, se você estiver em um trem e jogar uma bola de tênis para a frente, poderá medi-la movendo-se a 10 quilômetros por hora. Mas outra pessoa parada na plataforma da estação de trem, observando seu trem passar a 60 quilômetros por hora, mede a velocidade da bola em 60 + 10 - ou seja, 70 quilômetros por hora. Dê ou tome alguns nanômetros por segundo, ambos estão corretos.
No entanto, como Einstein apontou, faça o mesmo experimento em que você lança um feixe de tocha, em vez de lançar uma bola, para a frente no trem - tanto você no trem quanto a pessoa na plataforma medem a velocidade do feixe de tocha como a velocidade da luz - sem esses 60 quilômetros adicionais por hora - e vocês dois estão corretos.
Conclui-se que, para a pessoa na plataforma, os componentes de velocidade (distância e tempo) são alterados no trem para que as distâncias sejam contraídas e o tempo seja dilatado (ou seja, relógios mais lentos). E pela matemática das transformações de Lorenz, esses efeitos se tornam mais óbvios quanto mais rápido o trem. Acontece também que a massa de objetos no trem também aumenta - embora, antes que alguém pergunte, o trem não pode se transformar em um buraco negro, mesmo a 99.9999 (etc) por cento da velocidade da luz.
Agora, a relatividade duplamente especial, propõe que não apenas a velocidade da luz é sempre a mesma, independentemente do seu quadro de referência, mas as unidades de massa e energia de Planck também são sempre as mesmas. Isso significa que efeitos relativísticos (como a massa que parece aumentar no trem) não ocorrem na escala de Planck (ou seja, muito pequena) - embora em escalas maiores, a relatividade duplamente especial deva fornecer resultados indistinguíveis da relatividade especial convencional.
A relatividade duplamente especial também pode ser generalizada em direção a uma teoria da gravidade quântica - que, quando estendida da escala de Planck, deve fornecer resultados indistinguíveis da relatividade geral.
Acontece que na escala de Planck e = m, embora nas escalas macro e = mc2. E na escala de Planck, uma massa de Planck é 2.17645 × 10-8 kg - supostamente a massa do ovo de uma pulga - e tem um raio de Schwarzschild com um comprimento de Planck - o que significa que se você comprimir essa massa em um volume tão pequeno, ele se tornaria um buraco negro muito pequeno contendo uma unidade de energia de Planck.
Em outras palavras, na escala de Planck, a gravidade se torna uma força significativa na física quântica. Embora, na verdade, tudo o que estamos dizendo é que existe uma unidade de força gravitacional de Planck entre duas massas de Planck quando separadas por um comprimento de Planck - e, a propósito, um comprimento de Planck é a distância que a luz se move dentro de uma unidade do tempo de Planck!
E uma vez que uma unidade de energia Planck (1,22 × 1019 GeV) é considerada a energia máxima das partículas - é tentador considerar que isso representa as condições esperadas na época de Planck, sendo o primeiro estágio do Big Bang.
Tudo soa muito emocionante, mas essa linha de pensamento foi criticada por ser apenas um truque para melhorar a matemática, removendo informações importantes sobre os sistemas físicos em consideração. Você também corre o risco de minar os princípios fundamentais da relatividade convencional, pois, como o artigo abaixo descreve, um comprimento de Planck pode ser considerado uma constante invariável, independente do quadro de referência de um observador, enquanto a velocidade da luz se torna variável em densidades de energia muito altas.
No entanto, como não se espera que nem o Large Hadron Collider forneça evidências diretas sobre o que pode ou não acontecer na escala de Planck - por enquanto, melhorar a matemática funciona melhor parece ser o melhor caminho a seguir.
Leitura adicional: Zhang et al. Termodinâmica do gás de fótons na relatividade duplamente especial.
