Idealizado experimento viável para medir se gravidade é quântica ou não

Redação do Site Inovação Tecnológica - 08/05/2024

A ideia é deixar apenas a gravidade agir sobre duas massas, para ver se ela é realmente "clássica".
[Imagem: Gerada por IA]

A gravidade é clássica ou quântica?

Mesmo fazendo parte da nossa vida cotidiana, a força gravitacional permanece misteriosa: Até hoje não compreendemos se a natureza última da gravidade é geométrica, como ditam as teorias de Einstein, ou se ela é governada pelas leis da mecânica quântica.

Até agora, todas as propostas experimentais para responder a esta questão, nos dizendo se a gravidade é quântica ou não, baseiam-se na criação de fenômenos quânticos, como o entrelaçamento ou a superposição, entre objetos macroscópicos.

Contudo, quanto mais pesado é um objeto, mais ele tende a perder suas características quânticas e se tornar clássico - obedecendo à física clássica, em contraposição à física quântica - tornando incrivelmente desafiador fazer uma massa pesada se comportar como uma partícula quântica. E isso é necessário para realizar experimentos em regimes nos quais os efeitos quânticos e os efeitos gravitacionais sejam simultaneamente relevantes, para ver se os dois coexistem ou não na força gravitacional.

Cavendish atualizado

Agora, Ludovico Lami e colegas da Universidade de Amsterdã, nos Países Baixos, acabam de idealizar um experimento que, quando puder ser realizado na prática, deverá superar essas dificuldades e nos dar a tão esperada resposta. A diferença é que esse "quando" está em um futuro muito próximo.

"Nós projetamos e investigamos uma classe de experimentos envolvendo um sistema de 'osciladores harmônicos' massivos - por exemplo, pêndulos de torção, essencialmente como aquele que Cavendish usou em seu famoso experimento de 1797 para medir a intensidade da força gravitacional.

"Nós estabelecemos matematicamente rigorosos limites em certos sinais experimentais de quantumidade que uma gravidade clássica local não deveria ser capaz de superar. Analisamos cuidadosamente os requisitos experimentais necessários para implementar nossa proposta em experimentos reais e descobrimos que, embora ainda seja necessário algum grau de progresso tecnológico, tais experimentos poderão realmente estar ao nosso alcance em breve," disse Lami.

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Esquema do experimento proposto, que ainda depende de progressos tecnológicos para garantir a precisão necessária.
[Imagem: Ludovico Lami et al. - 10.1103/PhysRevX.14.021022]

Pêndulos de torção

O principal problema com as propostas anteriores é que é muito difícil criar os chamados estados deslocalizados, nos quais objetos massivos - e não partículas - ficam distantes, mas relacionados. O objeto mais pesado para o qual foi observada deslocalização quântica até hoje é uma molécula, uma molécula grande, mas muito mais leve do que a menor massa cujo campo gravitacional foi medido, que pesa pouco abaixo de 100 mg - se parece pouco, é mais de um bilhões de bilhões de vezes mais pesado do que a molécula.

Isso faz qualquer esperança da realização prática de um experimento desses só aparecer na agenda várias décadas no futuro.

A diferença da nova proposta é que ela dispensa a criação desses estados deslocalizados ou sequer a geração e detecção do entrelaçamento quântico. Como sugestão concreta da sua abordagem, os pesquisadores propõem usar dois pêndulos de torção, corpos rígidos suspensos por fios que rodam para a frente e para trás à medida que os seus fios se torcem. Esses pêndulos têm o formato de halteres, com cada extremidade pesando menos de um grama e constituindo metade de uma cavidade óptica, sendo a outra metade um espelho fixo. À medida que os pêndulos oscilam, eles mudam o tamanho e, portanto, o comprimento da onda ressonante em cada cavidade, uma mudança que pode ser detectada iluminando as cavidades com luz laser e medindo o padrão de interferência resultante.

Para ver se a gravidade é a força dominante entre os pêndulos, eles são postos muito próximos, separados por um escudo para suprimir quaisquer potenciais interações eletromagnéticas e ópticas. Além disso, a distância que separa os pêndulos deve ser cuidadosamente escolhida para que a atração gravitacional entre os dois seja mais forte do que a força de Casimir entre eles e o escudo.

A seguir, é só fazer os dois pêndulos balançarem e deixar a gravidade fazer o seu papel. Repetindo o experimento inúmeras vezes, será possível determinar a probabilidade de que ambos voltem ao seu estado de repouso. Se esta probabilidade exceder um limite superior calculado para a gravidade clássica, isso indicará que a gravidade é quântica.

Os pesquisadores esperam que sua proposta seja apenas o começo de uma discussão que ajude a conceber experimentos que possam responder à questão fundamental sobre a "quantumidade" da gravidade em um futuro não tão distante.

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