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A ascensão da ‘gravidade quântica?’ A teoria de Einstein vista no reino quântico pela primeira vez
Os cientistas detectaram os primeiros indícios de que a formulação da gravidade de Albert Einstein opera no reino quântico.
As dicas têm a ver com observações de um objeto quântico em queda e, embora isso possa não parecer grande coisa (literalmente, estamos falando de átomos aqui), pode ser um passo importante no caminho para uma teoria de… tudo.
Para começar, temos que recuar aos primeiros anos do século XX. Considere a icônica teoria da gravidade de Einstein, relatividade gerale o reino indescritível de mecânica quântica. Enquanto o primeiro descreve o universo em escalas de planetas, estrelas e buracos negrosdemonstrando até mesmo como as galáxias e aglomerados de galáxias se formaram, este último descreve a física contra-intuitiva encontrada em escalas menores que os átomos. Mas há um problema: estas duas teorias importantes não funcionam bem juntas.
Não há teoria quântica da gravidade. No entanto, os cientistas acham que estamos nos aproximando de um.
Uma equipe de pesquisadores realizou um experimento para encontrar o ponto onde a mecânica quântica e a relatividade geral se encontram. Ou seja, como as propriedades quânticas dos átomos mudam à medida que esses átomos ficam sob a influência da gravidade.
“Este é um artigo único, no sentido de que combina uma experiência difícil com uma interpretação teórica de longo alcance, sobre uma das questões mais fundamentais da física: como pode a gravidade, descrita pela teoria da relatividade de Einstein e pela teoria quântica, ser unificada numa única compreensão do universo?” líder da equipe Ron Folman da Universidade Ben-Gurion do Negev disse em um comunicado. “Estes dois pilares da física moderna têm escapado até agora a todas as tentativas de uma estrutura teórica unificada, mas esta experiência complexa dá mais pistas sobre como tal unificação pode ser alcançada.”
Elevadores e equivalência
Na base do experimento da equipe está um elemento importante da relatividade geral chamado princípio de equivalência.
O princípio da equivalência afirma que, para um observador em queda livre, a gravidade deveria desaparecer. Se isso parece confuso, considere esta analogia popular: você está dentro de um elevador fechado, sem visão do que está ao seu redor. Você se sente pesado. Você pode deixar cair uma bola e ela cairá no chão do elevador. Por que essas coisas aconteceriam? Bem, existem duas opções.
Você pode estar sentado parado no térreo, ou o elevador pode estar subindo a uma aceleração igual à intensidade do campo gravitacional da Terra, 9,8 metros por segundo ao quadrado. Você não pode dizer a diferença entre gravidade e aceleração. Esse é o princípio da equivalência.
Agora, vamos agitar isso. De repente, você não consegue mais sentir peso. Você deixa cair a bola e ela flutua. A gravidade desapareceu ou a aceleração ascendente terminou. Dentro do elevador, duas coisas podem ter acontecido e você também não consegue distinguir entre as duas. O cabo do elevador pode ter se rompido e você pode estar agora em queda livre, ou a aceleração ascendente pode tê-lo levado ao espaço e depois cessado.
A grande questão agora é: como testar isso em escala quântica, especialmente para partículas que se comportam como ondas enquanto viajam?
Acenar olá para a gravidade quântica?
Para medir o princípio da equivalência em escala quântica, os pesquisadores recorreram a um equipamento chamado Interferômetro Quântico Galileo. Isso lhes permitiu dividir a onda quântica associada a um átomo viajante em dois caminhos. Um foi mantido no lugar enquanto o outro caiu livremente.
A equipe então reuniu a onda para observar as mudanças que a gravidade havia introduzido na onda em queda.
Para os sujeitos experimentais, a equipe escolheu uma nuvem de átomos de rubídio, que resfriou até um pouco acima do zero absoluto. Estes foram colocados perto da superfície de um chip atômico especialmente projetado. Usando pulsos de micro-ondas, os cientistas colocaram os átomos no que é conhecido como superposição quântica.
Uma superposição é uma daquelas coisas realmente estranhas, exclusivas da física quântica, que permite efetivamente que um sistema quântico exista simultaneamente em dois ou mais estados contraditórios. Neste caso, a superposição permitiu que cada átomo percorresse dois caminhos diferentes ao mesmo tempo.
Os campos magnéticos gerados pelo chip atômico aplicaram um impulso ascendente ao longo de um caminho, neutralizando a atração descendente da gravidade e mantendo-o estacionário. O outro caminho foi submetido a pulsos magnéticos empurrando os átomos para cima. Os pulsos foram então desligados, permitindo que os átomos caíssem livremente sob a gravidade, como uma bola lançada ao ar.
Quando as ondas foram reunidas, a equipe usou um efeito chamado interferência, que ocorre quando os picos e vales de duas ondas desalinhadas se encontram, para medir as mudanças na onda em queda livre.
Isto representou a primeira vez que os efeitos da gravidade e da queda livre na fase de uma onda quântica foram medidos.
No entanto, embora esta seja uma demonstração eficaz do princípio de equivalência de Einstein no domínio quântico, não é uma demonstração da gravidade quântica. No entanto, continua a ser um passo num caminho frustrantemente longo que os físicos têm percorrido há mais de um século, sem fim à vista.
“Não temos nenhuma teoria consistente que nos diga por que a física quântica deveria falhar”, disse Vlatko Vedral, membro da equipe, no comunicado. “Esta experiência empurra a mecânica quântica para uma das suas fronteiras mais intrigantes, a gravidade, e mostra que, mais uma vez, as suas previsões se mantêm.”
A pesquisa da equipe foi publicada na quarta-feira (2 de setembro) na revista Avanços da Ciência.
