Qual é a importância do Prêmio Nobel de Física de 2025?
Marcelo Takeshi Yamashita, professor do IFT/Unesp, explica como pesquisa impulsionou a tecnologia quântica. Crédito: Marcelo Takeshi Yamashita
A força que experimentamos mais intimamente continua sendo a mais misteriosa. Os físicos compreendem como vastas migrações de partículas chamadas fótons iluminam nossas casas e como enxames de partículas “gluons” mantêm unidos os núcleos dos nossos átomos. Mas eles não sabem dizer quais partículas da gravidade, se é que existem, nos encantam quando somos bebês, fazendo com que as colheres caiam no chão.
A força da gravidade tem se mostrado tão difícil de explicar em termos de partículas que muitos físicos abandonaram completamente essa abordagem. Eles consideram a possibilidade de que a gravidade — e, com ela, a realidade como um todo — possa ser composta por minúsculas cordas ou outras coisas estranhas.
Mas, em um canto do mundo da física teórica, a abordagem das partículas volta à tona. Um grupo crescente de físicos vem usando a abordagem típica da física de partículas, a teoria quântica de campos, para a gravidade. Embora esse uso da teoria tenha sido considerado fatalmente falho por muito tempo, esses físicos estão descobrindo agora que ela funciona melhor do que seus antecessores esperavam.
“Até agora, não há indicação de que devemos descartar a teoria quântica de campos; na verdade, é o contrário”, diz Luca Buoninfante, físico teórico da Universidade Radboud, na Holanda, cujos cálculos ajudaram a reforçar a antiga teoria. Quando você aplica a teoria quântica de campos padrão à gravidade, não obtém apenas uma teoria única chamada gravidade quadrática, disse ele. “Você também obtém novas previsões.”
Essas previsões ainda não foram testadas. E, em termos puramente teóricos, a gravidade quadrática tem características estranhas que ainda assustam muitos físicos.
Mas os entusiastas da gravidade quadrática não se deixam intimidar por suas anormalidades. Pelo contrário, eles veem essas características como possibilidades anteriormente subestimadas que podem ser permitidas pela teoria quântica de campos.
Talvez os efeitos ocasionalmente se antecipem às suas causas no nível microscópico, por exemplo. E talvez as partículas “fantasmas” de energia negativa que surgem na gravidade quadrática possam existir com segurança nas equações sem criar paradoxos nos experimentos.
Os fantasmas, disse Buoninfante, podem ser “novos objetos que aparecem quando tentamos compreender a gravidade e a teoria quântica de campos em um nível mais profundo”.
Uma teoria de 1977 conhecida como gravidade quadrática ficou por muito tempo esquecida devido à sua partícula “fantasma” de energia negativa; mas, afinal, o fantasma pode não ser um impedimento Foto: Kristina Armitage/Quanta Magazine
Mais constantes, mais problemas
Desde o momento em que os físicos tentaram encaixar a gravidade na teoria quântica de campos (a estrutura que utilizam para descrever todas as outras forças fundamentais), ficou claro que a união seria difícil.
Os campos quânticos são substâncias ondulantes que permeiam o espaço. Uma ondulação em um campo quântico é uma partícula. Ao trocar fluxos dessas partículas-ondulações, um objeto pode empurrar ou puxar outro, exercendo uma força. A força eletromagnética, por exemplo, é transmitida por meio de perturbações no campo eletromagnético que chamamos de fótons.
Uma verdade profundamente inconveniente da teoria quântica de campos é que o que um campo faz depende de cada uma das ondulações que ele pode suportar. E essas ondulações vêm em um número infinito de formas e tamanhos. Quando os físicos inventaram a teoria quântica de campos e tentaram usá-la para fazer perguntas sobre elétrons e fótons, seus cálculos se tornaram infinitos porque cada termo em uma soma tentava explicar um continuum interminável de ondulações cada vez menores. Mas uma soma de termos infinitos não era resposta alguma.
No final da década de 1940, os físicos Richard Feynman, Julian Schwinger e Sin-Itiro Tomonaga descobriram, independentemente, uma solução que transformaria essas ondulações infinitas em respostas claras, o que lhes rendeu um Prêmio Nobel. Eles perceberam que poderiam reexpressar as partes desconhecidas e aparentemente infinitas de seus cálculos em termos de seu efeito líquido sobre duas constantes conhecidas que já haviam sido medidas em laboratório: a massa e a carga do elétron. Isso fixou os valores dos termos, após o que os físicos puderam prever tudo o que quisessem sobre o campo eletromagnético.
Esse truque, conhecido como renormalização, parecia um hack algébrico. Mas, nas décadas seguintes, os físicos compreenderam por que ele funcionava. A renormalização era uma forma de obscurecer as menores ondulações em um campo e incluir apenas seus efeitos líquidos. No caso do campo eletromagnético, isso funciona porque o impacto das pequenas ondulações é limitado; quanto menores as ondulações, menos elas influenciam as ondulações maiores.
A gravidade, no entanto, funciona de maneira diferente.
A gravidade também tem um campo: a própria estrutura do espaço-tempo. Albert Einstein, em sua teoria geral da relatividade, descreveu a gravidade como uma consequência dos objetos “caírem” ao longo de curvas nessa estrutura do espaço-tempo. Esse campo gravitacional não é uma ondulação que preenche o espaço, por si só, mas sim uma ondulação que é o espaço. Os físicos detectaram “ondas gravitacionais” viajando por esse campo. E as menores ondulações nesse campo causam inúmeros problemas.
Quando Feynman e um colega chamado Bryce DeWitt tentaram renormalizar a gravidade, descobriram que quanto menores as ondulações do espaço-tempo, mais elas importam. Elas influenciam a ondulação do espaço-tempo em níveis mais altos de inúmeras maneiras sutis que não podem ser resumidas apenas em termos de algumas constantes mensuráveis. O truque falhou. As minúsculas ondulações do espaço-tempo se recusaram a ser obscurecidas.
“Todos estavam preocupados com isso”, diz John Donoghue, especialista em teoria quântica de campos da Universidade de Massachusetts, em Amherst. “Essa é a razão pela qual a relatividade geral quântica era considerada um problema.”
O físico Richard Feynman (1918-1988) Foto: Wikimedia Commons
Nascimento da Gravidade Quadrática
Em meados da década de 1970, o falecido Kellogg Stelle, então estudante de pós-graduação na Universidade Brandeis, percebeu que havia uma maneira — e apenas uma maneira — de impedir a inundação de infinitos que havia atormentado as tentativas anteriores de “quantizar” a relatividade geral.
A relatividade geral pode ser escrita como uma equação que tem um único termo representando a curvatura do espaço-tempo. Aplique o procedimento de renormalização de Feynman e DeWitt a essa equação e você obterá um tipo de ondulação de partículas, o gráviton, ondulando de maneiras infinitas e impossíveis de ignorar.
Mas Stelle descobriu que poderia modificar a equação de Einstein para que o espaço-tempo se assemelhasse mais ao campo eletromagnético, com ondulações que se tornavam menos significativas à medida que ficavam menores. Seus efeitos gerais poderiam então ser capturados em apenas algumas constantes mensuráveis, análogas à carga e massa do elétron no eletromagnetismo. Essa teoria da gravidade, que ficou conhecida como gravidade quadrática por conter dois novos termos relacionados ao quadrado da curvatura, era renormalizável. Fazia tanto sentido quanto o eletromagnetismo.
“Isso lhe dá uma — artigo indefinido — teoria quântica da gravidade”, disse Stelle, que foi professor do Imperial College London até sua morte no mês passado. “Então, é claro, a questão é: você gosta disso?”
A maioria dos físicos, incluindo Stelle, não gostava.
“Eu também estava ciente de que nem tudo seria perfeito nessa questão”, disse ele durante uma entrevista em abril.
Kellogg Stelle foi professor de física no Imperial College London durante décadas, até sua morte em outubro de 2025 Foto: Marise Westbroek
O problema era que essa estrutura aprimorada do espaço-tempo agora poderia abrigar três tipos de ondulações. O primeiro termo representa os grávitons normais. Mas os dois termos de curvatura ao quadrado trazem duas novas partículas ao cenário. Uma é inofensiva, o que Stelle chamou de partícula “escalar doce”. Mas a outra é um demônio.
Um sinal de menos indesejado, proveniente do terceiro termo, desencadeia o caos. A partícula associada tem energia negativa, então a estrutura do espaço-tempo realmente ganha energia ao criá-la. Isso significa que mais e mais partículas desse tipo aparecerão espontaneamente, transformando o próprio espaço em um inferno cada vez mais energético.
Pior ainda, eventos envolvendo essa terceira partícula podem ter uma probabilidade negativa de ocorrer — uma proposição sem sentido.
Os físicos chamam essas partículas de fantasmas e dizem que as teorias assombradas por fantasmas são “doentes” — matematicamente inconsistentes.
Pouco depois de Stelle publicar sua pesquisa em 1977, os físicos se depararam com uma teoria da gravidade quântica mais sólida, chamada supergravidade. Ela resolveu vários problemas ao postular que cada partícula elementar conhecida se une a uma partícula “superparceira” ainda não descoberta. A supergravidade imediatamente chamou a atenção dos físicos teóricos, incluindo Stelle. A teoria acabaria se fundindo com a teoria das cordas e dominando o campo por décadas.
A gravidade quadrática, com seus fantasmas e inconsistências, não conseguiu competir. Os físicos deram pouca atenção a ela, citando o artigo de Stelle apenas 10 a 20 vezes por ano.
John Donoghue, especialista em teoria quântica de campos da Universidade de Massachusetts Foto: Elaine Donoghue
Renascimento fantasmagórico
No entanto, a teoria nunca desapareceu completamente.
Os teóricos voltaram a ela aqui e ali. O interesse aumentou na década de 2010, quando a teoria das cordas não conseguiu proporcionar os avanços espetaculares que seus primeiros praticantes haviam prometido, e os superparceiros não se materializaram nos experimentos do Grande Colisor de Hádrons.
Em 2014, os físicos italianos Alberto Salvio e Alessandro Strumia se perguntaram se a gravidade quadrática poderia resolver um enigma que muitos esperavam que os superparceiros resolvessem. O enigma, conhecido como problema da hierarquia, questiona por que a gravidade parece impossivelmente fraca em comparação com as outras três forças fundamentais. Por que existe uma “escala” para essas forças e outra especial, dramaticamente diferente, para a gravidade? Salvio e Strumia descobriram que as duas partículas extras da teoria de Stelle poderiam ajudar a separar as duas escalas. Isso os levou a questionar se o fantasma era realmente um impedimento.
Alguns anos depois, Damiano Anselmi, da Universidade de Pisa, descobriu que os pesquisadores podem evitar as armadilhas encontradas pelas teorias com fantasmas usando versões alternativas das regras estabelecidas por Feynman para descrever eventos quânticos. “Você tem a impressão de que a última palavra foi dita. Mas isso simplesmente não era verdade”, diz ele.
Donoghue, que recentemente ganhou o prestigioso Prêmio J.J. Sakurai por suas contribuições à teoria quântica de campos, também começou a estudar a teoria supostamente falha. Trabalhando com Gabriel Menezes, agora na Universidade de São Paulo, no Brasil, ele descobriu que, em cenários simples, as partículas fantasmas não causam o caos que os físicos temiam. Elas são tão instáveis que tendem a desaparecer antes de ter tempo de ativar o vácuo ou manifestar probabilidades negativas. O vácuo permaneceu calmo e as probabilidades continuaram somando 100% — uma propriedade essencial conhecida como unitaridade.
“Temos alguns exemplos, que foram o que me fizeram acreditar nisso”, diz Donoghue. “Coisas que todos diriam que violavam a unitaridade parecem não violá-la.”
Gabriel Menezes, da USP, demonstrou, em trabalho com John Donoghue, que as partículas fantasmas não levam às violações esperadas da unitariedade Foto: Barbara Menezes
Então, por que o fantasma parece espreitar silenciosamente, em vez de assombrar ativamente a teoria de Stelle? Os entusiastas da gravidade quadrática chegaram a algumas ideias sobrepostas.
Salvio e Bob Holdom, físico emérito da Universidade de Toronto, perceberam independentemente que é possível ajustar a etapa final (e bastante suspeita) do cálculo das probabilidades de uma forma que garanta que elas sempre permaneçam positivas.
E Donoghue ressalta que, mesmo que você não altere as regras de Feynman da maneira proposta por Anselmi, os fantasmas quase não existem. Eles aparecem apenas fugazmente, em distâncias curtas. Nesses instantes, há um preço alto a ser pago, mas não é a estabilidade ou a unitariedade. É, na verdade, a ordem normalmente rígida de causa e efeito. Esse sinal negativo permite que as partículas fantasmas retrocedam brevemente no tempo, onde podem influenciar partículas que, de outra forma, não poderiam influenciar. Nessa imagem, o fluxo inexorável do tempo que experimentamos emergiria como uma média delicada de muitos micromomentos temporalmente instáveis.
Compreender cada uma das outras forças fundamentais exigiu que os físicos dominassem novos conceitos estranhos, como a renormalização. Assim, argumentam os pesquisadores, talvez os fantasmas (e as regras modificadas da teoria quântica de campos necessárias para lidar com eles) sejam a chave que irá desvendar a gravidade. E mesmo que a gravidade não funcione dessa maneira, os físicos veem valor em explorar rigorosamente o comportamento das teorias quânticas de campos com sinais negativos fantasmagóricos. “Há algo a ser compreendido aí”, diz Benjamin Knorr, pesquisador da Universidade de Heidelberg que trabalha com outras teorias da gravidade.
Ainda há muito trabalho a ser feito para determinar o quanto essas extensões propostas da teoria quântica de campos padrão são compatíveis entre si e se elas falharão em situações mais exigentes. Mas, em sua maioria, os pesquisadores da gravidade quadrática deixaram de temer os fantasmas. “Matematicamente, eles fazem sentido agora”, diz Buoninfante.
Outros teóricos, no entanto, ainda têm dúvidas se essas correções realmente resolvem todos os problemas potenciais. Não se pode simplesmente mexer em princípios críticos da física, como causalidade e unitariedade. “Eles estão trabalhando duro”, diz Alessia Platania, pesquisadora de gravidade quântica da Universidade de Copenhague. “Mas eu diria que ainda é uma questão em aberto.”
O físico soviético Alexei Starobinsky Foto: Nikolay Malakhin/Scientific Russia
Camadas da realidade
Para os pesquisadores da gravidade quadrática, o trabalho incerto de caça aos fantasmas vale a pena. Além das vantagens matemáticas da teoria, o “pequeno escalar” de Stelle é exatamente o tipo de partícula (e campo quântico associado) que poderia ter impulsionado uma expansão explosiva do cosmos durante o Big Bang, que muitos cosmólogos acreditam ter criado o universo que vemos hoje. Na verdade, o físico soviético Alexei Starobinsky usou a gravidade quadrática para formular a primeira teoria desse surto inicial de crescimento, denominado inflação cósmica, em 1980.
A inflação cósmica deveria ter provocado ondulações no espaço-tempo que deixaram marcas sutis no céu. Estas não foram vistas, apesar de intensas pesquisas, descartando vários modelos de inflação. Trabalhos recentes de Anselmi e outros, no entanto, sugerem que um universo com gravidade quadrática deve produzir ondulações muito pequenas para serem detectadas pelos telescópios atuais. Observatórios de última geração podem ser capazes de captar essas ondas fracas.
“A inflação de Starobinsky é a única que ainda faz sentido do ponto de vista da teoria quântica de campos, na minha opinião”, disse Donoghue.
Por meio de uma combinação de fantasmas inesperadamente amigáveis, da crescente popularidade da inflação de Starobinsky e de outras teorias da gravidade quântica em declínio, a gravidade quadrática ganhou popularidade. O artigo original de Stelle vem acumulando mais de 150 citações por ano.
Se os fantasmas puderem ser totalmente vencidos e as ondulações espaço-temporais da inflação de Starobinsky forem detectadas algum dia, o que a gravidade quadrática implicaria sobre a realidade? As opiniões variam.
Pistas da teoria das cordas, da física dos buracos negros e de outras áreas levaram a uma crença generalizada de que o espaço-tempo deveria se desdobrar em coisas mais estranhas em alguma escala submicroscópica. Mas se a gravidade quadrática acabar sendo a teoria definitiva da gravidade, então a estrutura trêmula do espaço-tempo poderia persistir, não importa o quanto você amplie. “Estamos falando de uma descrição verdadeiramente contínua até escalas arbitrariamente pequenas”, disse Holdom. “Espaço-tempo para sempre.”
Essa possibilidade recebeu um impulso recentemente. No ano passado, Donoghue e seus colaboradores descobriram um fato matemático importante sobre como os grávitons colidem na gravidade quadrática. À medida que as colisões se tornam mais intensas, a gravidade fica mais fraca, facilitando os cálculos — um fenômeno conhecido como liberdade assintótica. O resultado sugere que a gravidade quadrática nunca se rompe e pode levar você até os níveis mais profundos da realidade. “Isso poderia permitir que ela fosse a teoria final”, disse Donoghue. No entanto, ele acrescentou: “Não estou convencido de que esta seja a teoria final”.
A alternativa é que a gravidade quadrática, apesar de ser renormalizável e assintoticamente livre, ainda não seja uma explicação completa da gravidade.
Lembre-se de que a renormalização equivale a um filtro sobre o mundo que desfoca suas menores ondulações. Teorias renormalizáveis são aquelas em que ignorar essas características não altera muito o quadro geral. A imagem desfocada funciona bem. Teorias não renormalizáveis são aquelas em que a imagem desfocada parece bastante diferente da imagem nítida. Ela não funciona tão bem quanto você gostaria, porque cada detalhe infinitesimal é importante. Portanto, teorias não renormalizáveis, como a relatividade geral quantizada, desafiam os físicos a compreender todas as camadas da realidade de uma só vez.
Os sucessos surpreendentes da gravidade quadrática sugerem que a gravidade pode acabar tendo uma imagem borrada que funciona bem, afinal. Abaixo de uma certa escala espacial, pode ser que quaisquer detalhes complicados — sejam eles cordas, loops ou nada — possam ser ignorados, e você ainda terá uma teoria totalmente consistente. Se for esse o caso, os físicos podem prever com precisão como os grávitons colidem e como o universo se expandiu, sem se preocupar com o que realmente acontece nas escalas menores. “Pode ou não ser a teoria definitiva”, disse Donoghue. Mas talvez “se torne uma camada fechada e autoconsistente da realidade”.
Stelle compartilhava dessa opinião. Ele nunca voltou a abordar sua teoria, acompanhando de longe seu recente renascimento (que ele considerou “agradável”). Mas passou a suspeitar que ela tinha algum valor, afinal. “Minha reação atual é que se trata de uma possível conexão”, disse ele, “uma espécie de regime intermediário”.
História original republicada com permissão da Quanta Magazine, uma publicação editorialmente independente apoiada pela Simons Foundation. Leia o conteúdo original em Old ‘Ghost’ Theory of Quantum Gravity Makes a Comeback.
Este conteúdo foi traduzido com o auxílio de ferramentas de Inteligência Artificial e revisado por nossa equipe editorial. Saiba mais em nossa Política de IA.
