Enzo Rocha Fotografia: Escala de Planck

Definição

A Escala de Planck é a escala na qual os efeitos da mecânica quântica se tornam significativos para representar o espaço-tempo e outros fenômenos gravitacionais, normalmente definidos como sendo da ordem de um comprimento de Planck (~ 10 m).

O que é

Em física, a escala de Planck refere-se a uma escala de energia muito grande (1,22 x 1019 GeV) ou a uma escala de tamanho muito pequena (1,616 x 10-35 metros), onde os efeitos quânticos da gravidade se tornam importantes na descrição das interações de partículas.

Na escala de tamanho de Planck, a incerteza quântica é tão intensa que conceitos como localidade e causalidade se tornam menos significativos.

Os físicos de hoje estão muito interessados em aprender mais sobre a escala de Planck, pois uma teoria quântica da gravidade é algo que atualmente não temos.

Se um físico fosse capaz de propor uma teoria quântica da gravidade que concordasse com o experimento, isso praticamente garantiria a eles um Prêmio Nobel.

É um fato fundamental da física da luz que, quanto mais energia um fóton (partícula de luz) transporta, menor é o comprimento de onda que ele possui.

Por exemplo, a luz visível tem um comprimento de onda de algumas centenas de nanômetros, enquanto os raios gama, muito mais energéticos, têm um comprimento de onda do tamanho de um núcleo atômico.

A energia de Planck e o comprimento de Planck estão relacionados, pois um fóton precisaria ter um valor de energia na escala de Planck para ter um comprimento de onda tão pequeno quanto o comprimento de Planck.

Para tornar as coisas ainda mais complicadas, mesmo que pudéssemos criar um fóton tão energético, não poderíamos usá-lo para medir com precisão algo na escala de Planck – seria tão enérgico que o fóton colapsaria em um buraco negro antes de retornar qualquer informação.

Assim, muitos físicos acreditam que a escala de Planck representa algum tipo de limite fundamental de quão pequenas são as distâncias que podemos sondar.

O comprimento de Planck pode ser a menor escala de tamanho fisicamente significativa que existe; nesse caso, o universo pode ser pensado como uma tapeçaria de “pixels” – cada um com um comprimento de Planck em diâmetro.

A escala de energia de Planck é quase inimaginavelmente grande, enquanto a escala de tamanho de Planck é quase inimaginavelmente pequena.

A energia de Planck é cerca de um quintilhão de vezes maior do que as energias alcançáveis em nossos melhores aceleradores de partículas, que são usados para criar e observar partículas subatômicas exóticas.

Um acelerador de partículas poderoso o suficiente para sondar diretamente a escala de Planck precisaria ter uma circunferência de tamanho semelhante à órbita de Marte, construída a partir de tanto material quanto a nossa Lua.

Como esse acelerador de partículas provavelmente não será construído em um futuro previsível, os físicos procuram outros métodos para sondar a escala de Planck. Procura-se gigantescas “cordas cósmicas” que podem ter sido criadas quando o universo como um todo era tão quente e pequeno que possuía energias no nível de Planck. Isso teria ocorrido no primeiro bilionésimo de segundo após o Big Bang.

Unidades básicas de Planck

As unidades básicas de Planck são: comprimento, massa, temperatura, tempo e carga.

Vamos considerar a unidade de comprimento de Planck por um momento.

O próton é cerca de 100 milhões de trilhões de vezes maior que o comprimento de Planck. Para colocar isso em perspectiva, se escalássemos o próton até o tamanho do universo observável, o comprimento de Planck seria uma mera viagem de Tóquio a Chicago. O voo de 14 horas pode parecer longo para você, mas para o universo passaria completamente despercebido.

A escala de Planck foi inventada como um conjunto de unidades universais, por isso foi um choque quando esses limites também se revelaram os limites em que as leis conhecidas da física se aplicavam.

Por exemplo, uma distância menor que o comprimento de Planck simplesmente não faz sentido – a física se decompõe.

Os físicos não sabem o que realmente acontece na escala de Planck, mas podem especular.

Alguns físicos teóricos das partículas preveem todas as quatro forças fundamentais – gravidade, força fraca, eletromagnetismo e força forte – finalmente se fundem em uma força nessa energia.

Gravidade quântica e supercordas também são possíveis fenômenos que podem dominar na escala de energia de Planck.

Qual é o comprimento de Planck? Qual é o tempo de Planck?

O comprimento de Planck é a escala na qual as idéias clássicas sobre gravidade e espaço-tempo deixam de ser válidas e os efeitos quânticos dominam. Este é o ‘quantum of length’, a menor medida de comprimento com qualquer significado.

E aproximadamente igual a 1,6 x 10-35 m ou cerca de 10 a 20 vezes o tamanho de um próton.

O tempo de Planck é o tempo que levaria um fóton viajando na velocidade da luz a uma distância igual ao comprimento de Planck.

Este é o ‘quantum of time’, a menor medida de tempo que tem algum significado e é igual a 10-43 segundos.

Nenhuma divisão menor do tempo tem algum significado. Dentro da estrutura das leis da física como as entendemos hoje, podemos dizer apenas que o universo surgiu quando já tinha uma idade de 10 a 43 segundos.

Quem foi Max Planck?

Tentando descobrir a física da luz, Max Planck sentiu-se confuso.

Até 1900, todos pensavam que a luz era um fluxo contínuo, indivisível até o nível mais baixo.

Planck era um pensador conservador e geralmente confiava na sabedoria aceita, mas seus cálculos foram confundidos por representar a luz como contínua.

Usando a interpretação estatística de Ludwig Boltzmann da 2ª lei da termodinâmica como base, Planck introduziu a idéia de quantização – representando a luz como pacotes discretos que mais tarde seriam chamados fótons.

Mais tarde, questionado sobre essa decisão, ele a chamou de “um ato de desespero… Estava pronto para sacrificar qualquer uma das minhas convicções anteriores sobre física”.

No modelo de luz de Max Planck, a energia eletromagnética tinha que ser emitida em níveis discretos de energia, múltiplos de uma unidade E, que era o produto da frequência da radiação e uma unidade natural conhecida como constante de Planck.

De fato, sabemos hoje que raios de luz com frequências mais altas e comprimentos de onda mais curtos, como raios-x, carregam mais energia do que frequências mais baixas, como luz visível e ondas de rádio.

Da constante de Planck, os físicos conseguiram derivar uma série de unidades fundamentais, baseadas não na decisão humana, mas nas propriedades fundamentais do universo.

Freqüentemente, esses números representam o maior ou menor valor possível que faz sentido sob a nossa teoria física atual.

Por exemplo, no comprimento de Planck, muitas vezes menor que um próton, e no tempo de Planck, uma unidade incrivelmente pequena, nosso entendimento da física quântica deixa de fazer sentido. Na temperatura de Planck, muitos trilhões de vezes maior que a temperatura no núcleo do Sol, todas as forças fundamentais da natureza se uniriam e as simetrias quebrariam desde que o Big Bang seria restaurado.

A velocidade de Planck é equivalente à velocidade da luz e assim por diante.

Quando Max Planck descobriu todas essas unidades fundamentais, nossa compreensão do universo se tornou muito mais digital.

Planck ajudou a explicar o que aconteceu no instante após o Big Bang