Teoria fotônica

Resumo

A teoria fotônica é uma hipótese formulada por Nickson Grimes que tenta abordar os assuntos da física de uma maneira alternativa às teorias já estabelecidas nos diferentes campos da física. A hipótese se baseia principalmente numa ideia de que os fótons são os constituintes fundamentais de toda a matéria e também do espaço, daí surge o nome da hipótese “teoria fotônica”. A teoria se assemelha com a teoria das cordas já que a ideia surge da própria teoria das cordas, mas que toma rumos bem distintos, sendo uma forma alternativa de explicar alguns dos fenômenos da cosmologia como expansão, gravitação e matéria escura/energia escura, bem como efeitos microscópicos tais como as interações atômicas e subatômicas. A hipótese não possui uma matemática rigorosa como a teoria das cordas, isso dada as limitações do autor como conhecedor da matemática, mas que busca em meio à essas limitações, propor uma nova forma de pensar sobre a física. A teoria se divide em duas partes, a reinterpretação da relatividade restrita e a outra parte que trata da hipótese fotônica da matéria e espaço. Mas a hipótese não comuta com a gravitação quântica em loop pois propõe outro tipo de formulação para a explicação da gravitação.

O problema da partícula rodopiante

Suponha a existência de duas partículas, A e B, uma que está a uma distância considerável da outra. Em dado momento, uma começa a descrever um movimento circular em torno de seu eixo. Isso faz com que ela perceba a outra partícula (em seu referencial) descrever um movimento circular em torno da partícula A. Essa partícula B está parada em relação à partícula A e percebe que ela rodopia. Para a partícula A, B está descrevendo um movimento circular em torno dela, por tal razão ela pode medir sua gravidade maior do que quando medida pela partícula B, uma vez que com base ao movimento descrito no referencial de A, é possível determinar a velocidade e com isso a aceleração radial que aponta em direção de A. Isso faz com que, se ela saiba de sua massa, que sua gravidade é maior do que visto em outro referencial. Enquanto para B, a gravidade de A permanece a mesma. 

Esse problema serve para demonstrar que referenciais inerciais podem medir diferentes valores, a depender do referencial adotado. O que entra em desacordo com o primeiro postulado da relatividade restrita.

O experimento mental da roda gigante

Suponha a existência de uma roda ideal de massa zero e que seja formada por um único constituinte, ela mesma (desconsidera as partículas). Se em uma galáxia temos o seu centro e a borda representa sua extremidade, ambos os lados devem girar em velocidades distintas, uma vez que a velocidade da extremidade é sempre maior que a do centro. Essa roda gigante teria o seu primeiro eixo no centro dessa galáxia e o outro na borda dela. Como as duas possuem massa zero, e considerando que elas estejam conectadas, simbolizando que elas são um único elemento (novamente, elas não são formadas por átomos e sim por um único componente, ela mesma), quando aplicada uma força em seu centro, o outro lado se movimentará em igualdade com o centro. Se o centro girar rapidamente, percorrendo um valor proporcional de 90% de um círculo que ela forma, então o outro lado na extremidade precisa acompanhar esse movimento fazendo também 90% de seu trajeto, uma vez que não há massa e a roda é um elemento único perfeito. Isso significa que a velocidade na extremidade é maior do que a luz. Isso também entra em desacordo com o segundo postulado da relatividade restrita. 

Esses dois experimentos são uma forma de criar paradoxos da relatividade restrita, mas isoladamente não significam necessariamente nada.

A dualidade onda-partícula

A teoria fotônica depende de um resultado obtido por uma reflexão do autor que era uma teoria original, mas que foi modificada para proceder com a teoria fotônica. Inicialmente, a teoria fotônica não era o que o autor propunha, a teoria original é chamada de “teoria das cordas-ondas”. Nela, o autor concebe que partículas sejam formadas por cordas unidimensionais (é uma teoria que usa os conceitos da teoria das cordas) . Essas cordas produziriam outras cordas em seu centro, e essas seriam liberadas para fora da partícula. Como essas cordas são da ordem do comprimento de Planck, elas adotariam um comportamento fluído. Os fluidos possuem a capacidade de se comportarem como ondas, dessa forma, as ondas nessa “teoria” não seriam nada mais do que partículas extremamente pequenas se comportando como um fluído que tem características ondulatórias. 

Aqui recorremos à um postulado da mecânica quântica para fazermos o prosseguimento com a teoria fotônica. 

A mecânica quântica propõe que a onda possua uma componente momento associado a ela. Através da relatividade é possível obter que um fóton possui momento E = pc. Agora vamos demonstrar que na mecânica quântica é possível obter o mesmo resultado. Entretanto, esse resultado irá nos fornecer que a onda é uma partícula:

A explicação para isso é referida na “teoria de cordas-ondas”. A mecânica quântica junto à equação fundamental da ondulatória nos fornece que a onda é uma partícula, e essa é praticamente a base que precisamos para prosseguir com a hipótese fotônica. Assim, a onda é nada mais que um fluído de fótons se comportando como ondas. No entanto, o fóton precisa ter uma energia baixa, pois se a onda é formada por fótons, então essa onda, seguindo o raciocínio da “teoria das cordas-ondas” teria que ter o valor de Planck para atuar como um fluído de fato, afinal, o fluído não poderia ser formado por partículas de altas energias para ser um fluído. 

Esse poderia ser considerado um postulado da teoria fotônica.

Mas matematicamente ainda não provamos que o fóton possui energia da ordem da constante de Planck. Para isso, precisamos recorrer à uma reflexão e experimento mental novamente, sobre o efeito Doppler:

Imagine que há uma fonte luminosa se movendo e ao lado dela há um observador que durante um período de tempo mede três pulsos que o atingiram. A frequência dessa onda é ultravioleta, mas que durante esse intervalo de tempo pequeno, recebeu três pulsos. 

Um segundo observador está em repouso em relação à fonte luminosa, por isso, a frequência da onda é menor. Entretanto, ele relata que sofreu também três pulsos dessa onda, mas, ao contrário do primeiro observador, esses pulsos demoraram mais para o atingirem, uma vez que o comprimento de onda é maior. Sendo assim, logicamente ambos mediram a mesma energia, com intervalos de tempo diferentes. Isso precisa ser correto, pois trata-se da conservação de energia e momento, uma vez que a luz possui momento. O fato de que a onda de menor frequência causou mesma energia se deve ao fato de uma exposição maior de tempo à ela. Desse modo, o observador 1 ficou exposto à uma frequência alta, mas apenas três pulsos, o que significa que o tempo de exposição foi menor. O segundo observador recebeu também três pulsos, mas teve uma exposição maior à onda:

Como pode ver, o intervalo de tempo é a velocidade da onda (velocidade da luz) dividida pelo seu comprimento de onda. Se aplicarmos o fator do tempo na equação da mecânica quântica ficamos com o valor de que E = E, então, portanto, E = h. Isso era o valor que precisávamos encontrar, pois ele diz exatamente aquilo que falávamos sobre a energia do fóton ter a ordem de Planck. A constante de Planck é um valor muito pequeno, o que significa que o fóton possui uma energia muita pequena, e isso é um resultado que mostra que ele pode se comportar como um fluído, já que é uma partícula ínfima.

Relação do fóton com a matéria

Para a teoria fotônica, todo corpo que possui massa é formado por fótons. Esse é um pilar da teoria fotônica. Contudo, é necessário lembrar que o fóton não possui massa, entretanto, ele pode gerar partículas com massa quando se aglomera com outros fótons, mas um fóton não pode existir sem uma onda associada. Como vimos, o fóton não possui uma onda associada, pois a onda é um fluído de fótons. Portanto, o fóton deve possuir um movimento circular em torno de seu eixo que seja a mesma velocidade da luz. A isso damos o nome de spin (que já existe na mecânica quântica). Portanto, o fóton existe apenas porque está girando em seu eixo na velocidade da luz (quando ele forma partículas em repouso). Quando o fóton está em movimento, se propagando pelo espaço, ele não precisa estar em movimento orbital para existir. A massa de repouso do fóton é zero, por isso ele não pode existir se não estiver em movimento. Todas as partículas que existem, na teoria fotônica, são consideradas como formadas por aglomerados de fótons:

Se consideramos que o fóton pode gerar massa, então podemos dizer que o momento do fóton é P = mv, logo, substituindo P por mv ficamos com E = mvc. Como o fóton possui movimento na velocidade da luz, consideramos v como c e obtemos a equivalência massa/energia.

Energia cinética fotônica

Se o fóton é o constituinte fundamental da realidade, então as trocas de energia, sejam elas termodinâmicas ou cinéticas podem ser representadas como diferentes manifestações dos fótons, por essa razão a teoria fotônica pode ser tão amplamente usada. Vamos então mostrar como o fóton pode se associar a energia cinética:

Assim, conseguimos demonstrar que o fóton de fato pode ser a energia cinética de um corpo. Isso acontece porque o fóton é trocado de um corpo de maior energia para um de menor energia. O corpo de menor energia recebe colisões de fótons e recebe o momento desses fóton, fazendo-o aumentar seu momento também, consequentemente a velocidade.

Todavia, é necessário entender que essa energia fotônica é gerado de alguma maneira. As interações entre partículas geralmente é uma interação eletromagnética, por isso, fótons são trocados entre os corpos. Essa energia vem da própria massa de cada corpo. Cada corpo produz um campo eletromagnético que são fótons dessa mesma partícula em um campo. Dessa maneira, a partícula possui um campo de fótons gerados a partir de sua própria energia. Desse modo, quanto mais energia um corpo recebe, mais massa ele também recebe, uma vez que fótons são capazes de produzir massa.

Reinterpretando a Relatividade restrita

A Relatividade especial possui alguns efeitos interessantes e que geram alguma contra intuição para quem estuda. Até agora só falamos de energias relativísticas e energia de repouso, dando uma descrição de como os fótons podem ter sua própria “dinâmica”. 

A primeira coisa que vamos reinterpretar é o conceito do tempo. Primeiro, o autor sempre teve uma intuição de que o tempo está associado à energia e vice-versa. Por essa razão, formulou uma descrição matemática que pode demonstrar essa relação:

Como pode ver, a prova real mostra que de fato a transformada é válida. Assim, o tempo está relacionado à energia. Mas vamos tentar uma outra demonstração como alternativa:

Nesse caso nós percebemos que existe uma energia inicial e uma energia final. Essa variação de energia provoca um aumento no tempo, que chamarei de momento temporal. Assim, conseguimos inclusive, uma equivalência tempo-energia, e não mais depende da velocidade. Contudo, temos um grave problema sobre essa relação. Ela nos diz que o tempo e a energia se relacionam, e na relatividade geral o tempo e o espaço são entidades únicas, isso nos quer dizer que, ou a energia é o espaço-tempo, ou o espaço não pode estar associado ao tempo, indo em direção oposta à relatividade geral. 

Para isso, vamos fazer outro experimento mental.

O paradoxo da expansão

O paradoxo da expansão parte do princípio que o espaço se contrai para um corpo que se aproxima da velocidade da luz. Vamos supor que um próton esteja constantemente sendo acelerado para a velocidade da luz, aumentando sua energia infinitamente. E que tenhamos um observador no outro lado do universo. Conforme o próton aumenta a velocidade, o espaço se contrai cada vez mais. No entanto, temos um problema, o espaço está expandindo. Em alguns locais do universo, essa expansão é mais rápida do que a própria luz. O próton pode contrair o espaço infinitamente, ao ponto que a distância entre ele e o observador se torne um infinitésimo. O próton em sua perspectiva alcançará o observador porque não importa quanto o espaço expanda no universo, a distância irá contrair infinitamente para o próton, de tal modo que a expansão do universo seja ultrapassada. Da mesma forma isso ocorre com o fóton. Nós sabemos que isso nunca irá acontecer, principalmente para o próton que não pode viajar na velocidade da luz. Isso ocorre porque a luz não chega até nós em algumas áreas do universo, mas na perspectiva dos fótons não há distância entre o observador e ele, e isso é um paradoxo. Dessa maneira, o próton nunca alcançará o observador na perspectiva do observador, mas na perspectiva do próton e do fóton, eles alcançarão o observador. Esse paradoxo serve para se opor à ideia da contração do espaço, desse modo, o espaço não pode sofrer alterações, então ele não está relacionado ao tempo. Veja que, não é um problema propor uma equação da contração do espaço para minha interpretação:

Veja que é possível explicar a contração das distâncias com a equivalência energia-tempo. 

Mas então, qual seria a explicação para que um corpo consiga percorrer grandes espaços em pouco tempo? A Relatividade de Einstein mostra que há uma diferença entre o tempo medido entre dois referenciais, isso significa que o espaço é contraído. Mas isso não pode ser verdadeiro como vimos. A explicação para isso é o momento temporal. 

O momento temporal varia conforme a variação de energia de repouso e energia relativística como já visto, portanto, quanto mais energia um corpo ganha em relação à energia de repouso, mais rapidamente o tempo passa para ele. É exatamente essa a explicação que pode resolver esse impasse. O fato é que o espaço não contraiu, e sim que o corpo percorreu o espaço de forma ligeiramente mais rápida. Cada segunda vale por x segundos, isso significa que esse corpo está indo em direção ao futuro mais rapidamente, o que significa que o espaço está sendo percorrido mais rapidamente também. Isso gera um efeito de que parece que os corpos no espaço pareçam estar se aproximando mais rapidamente também. Portanto, o corpo terá se deslocado no tempo x segundos para cada segundo que ele medir, consequentemente, o corpo se move x vezes mais ligeiramente. Não é a velocidade que aumenta, e sim que o tempo está avançando mais rapidamente. 

Veja a equivalência da contração das distâncias com o momento temporal acelerado:

Como pode ver, em dois segundos o corpo percorreu 540 milhões de quilômetros, enquanto o espaço “contraiu” em dez vezes. Do mesmo modo, no outro caso, o corpo terá andado em dois segundos, 10 segundos para cada segundo, de tal modo que ele terá andado por 20 segundos em dois segundos. Durante vinte segundos ele consegue percorrer a mesma distância prevista pela “contração do espaço”.

Princípio da correspondência

Vamos imaginar uma situação hipotética onde duas partículas sejam uma única partícula, mas que estão separadas por uma distância infinita. As duas partículas podem ser consideradas como uma única, e isso faz com que elas estejam conectadas tanto pelo tempo como pela energia, considerando que a energia seja uma dimensão. Quando uma realiza um movimento, a outra também realiza o mesmo movimento, mesmo que ambas estejam separadas por uma distância infinita. Isso porque elas estão conectadas tanto pelo tempo como pela energia, já que são a mesma coisa. De tal modo que a informação e a energia sejam instantâneas independente do tempo. Isso é paradoxal, já que a energia de uma afeta diretamente o comportamento da outra. Como as duas são a mesma coisa, isso tem que acontecer. Portanto, esse princípio que lembra ao emaranhamento quântico nos mostra que se duas partículas estejam conectadas pela mesma dimensão energia-tempo, a informação e o comportamento de uma afeta no mesmo instante o comportamento da outra. Se uma se move, a outra também se move, mesmo que existam impedimentos do por parte de uma das partículas. Por exemplo, se uma se mover, a outra também se moverá, mas como uma pode estar impedida por um outro corpo, o estado da outra partícula também é alterado imediatamente. Esse princípio nos mostra que duas partículas conectadas pela dimensão energia-tempo compartilham de forma imediata o mesmo estado.

Gravitação fotônica (fluída)

Para considerar um novo tipo de gravitação distinto da relatividade geral e teorias quânticas da gravidade, o autor propõe uma gravitação baseada em fluído, composto por fótons chamados de “fótons escuros”. Esses fótons estariam de algum modo sendo atraídos em direção à corpos de energia. Como a atração ocorre em todas as direções, há uma transferência de momento em todas as direções, fazendo com que a somatório das forças seja igual à zero. Entretanto, o mesmo não ocorre quando um corpo está perto de outros corpos. Isso porque o corpo atrai fótons escuros em sua direção, mas os outros corpos mais massivos atraem mais fótons escuros em sua direção radial, assim, esse corpo pequeno está recebendo mais fótons escuros em direção à o corpo massivo, o que ocasiona uma força em direção ao corpo massivo:

Aqui temos tanto a energia cinética de um corpo que está na correnteza de fótons escuros quanto a aceleração. Note que temos o momento relativístico na direção radial quando no movimento circular. A correnteza de fótons escuros representa a integral do momento dos fótons no limite de tempo. A correnteza de fótons é proporcional ao raio. Quanto menor o raio, maior o número de fótons transferindo momento. E é a energia máxima que um corpo pode receber dentro de um dado raio, considerando a energia inicial do corpo. Assim nós conseguimos obter uma equação para a gravitação baseada em um fluído de fótons escuros.

Big bang, buraco negro & expansão

O big bang e a expansão são dois fenômenos que podem ser relacionados na teoria fluída da gravitação. Primeiro nós precisamos considerar a ideia de que a energia pode surgir do nada, uma vez que o nada não é exatamente “nada” e sim uma existência em potência. Dessa maneira, a energia pode partir da potencialidade. Outra coisa é que o espaço está composto de fótons escuros, esses fótons também podem formar matéria, e é nesse quesito que parte a expansão.

A relação de espaço está associada à matéria. O somatório de fótons forma a massa. A massa é uma componente que dá dimensões geométricas à matéria. Com a densidade é possível obter um espaço. Dessa forma podemos transformar matéria em energia e a energia em tempo e energia, formando o espaço. Assim, conseguimos demonstrar a relação de espaço e tempo, já que o espaço é energia e existe uma relação entre energia e tempo. 

O espaço está expandindo pela desvirtualização do nada em energia:

O ômega representa a taxa de desvirtualização do nada, e essa taxa aumenta a energia e espaço. A integral está em relação ao tempo. Descobrindo a taxa de expansão do espaço é possível descobrir a taxa de desvirtualização já que o espaço é energia. 

Essa maneira de explicar que o espaço é energia ou matéria pode ser útil para a ideia de matéria escura e energia escura. 

Agora podemos explicar o buraco negro de uma forma alternativa, além da relatividade geral. Enquanto na relatividade o buraco negro é um colapso gravitacional em uma singularidade, para a teoria fotônica essa ideia não é mais válida, porque a forma como a gravidade atua é através de um fluído de fótons escuros. Assim, toda a matéria presente num buraco negro é imediatamente convertida em um ponto onde todos os fótons ficam. Ou seja, toda a matéria que cai em um buraco negro é convertida em fótons e sobrepostas à um fóton que está girando em torno de si mesmo. A ideia de buraco negro pode ser entendida como fótons sobrepostos no mesmo espaço. A ideia de que o fóton pode ocupar o mesmo espaço é válida porque ele não possui massa, dessa forma a singularidade não mais existe na teoria fotônica. O que existe são vários fótons sobrepostos em um único fóton. Como vimos, o espaço é formado pelo fluído de fótons escuros, quanto mais perto de um corpo, mais energia fotônica gravitacional teremos, e, portanto, maior variação temporal também.

Conclusão

Com o trabalho de teoria fotônica é possível trazer explicações alternativas para a termodinâmica, mecânica, eletromagnetismo, ondulatória, gravitação e relatividade. É possível através da mesma, propor um nova olhar sobre a física. Entretanto, a teoria carece de elementos rigorosos da matemática, ficando por ora a cargo de pesquisa de demais interessados no assunto. A teoria fotônica é uma hipótese bastante abrangente que pode ser utilizada para inúmeros tipos de estudos, mas ela pode ser testada experimentalmente para ver se a transformada temporal é válida para a teoria.

Bibliografia:

Canal: Professor Cícero, física & astronomia; YouTube

Playlist: física moderna I 

Playlist: física moderna II

Autor: Nickson Grimes