Universo simulado em um átomo mostra matéria emergindo do espaço vazio

Redação do Site Inovação Tecnológica - 10/11/2022

Propriedades fundamentais do nosso Universo foram simuladas no universo-átomo.
[Imagem: Celia Viermann et al. - 10.1038/s41586-022-05313-9]

Um universo em um átomo

Queremos muito entender o Universo, mas é muito difícil estudar algo no qual estamos inseridos: Seria muito bom se fosse possível pegar um universo e observá-lo de fora!

Celia Viermann, da Universidade de Heidelberg, na Alemanha, também pensa assim, e então propôs-se a fazer um experimento corajoso, invertendo completamente a escala de dimensões.

A pesquisadora usou um único átomo artificial para simular um universo inteiro, incluindo a expansão que acreditamos estar ocorrendo no nosso.

E esse universo atômico, ou átomo-universo, já permitiu que ela observasse um dos fenômenos mais enigmáticos com que os físicos já se depararam em seus experimentos: Ver a matéria sendo criada "do nada".

Inúmeros experimentos já demonstraram que a matéria é resultado das flutuações do vácuo quântico, e o vácuo quântico, em vez de um "nada", é um estado com a menor energia possível, uma espécie de sopa de campos e ondas de todas as frequências, de onde partículas virtuais saltam continuamente entre a existência e a inexistência.

Na última década, não apenas matéria, mas também antimatéria, foram criadas desse vácuo, assim como a luz foi produzida a partir do vácuo quântico - mais recentemente, antimatéria foi criada usando um laser, simplificando muito esses experimentos.

No caso do experimento de Viermann, ela observou os pares de partículas virtuais sendo criadas conforme o seu átomo-universo se expandia.

A densidade e a dinâmica do universo são configuradas disparando um laser no condensado.
[Imagem: Celia Viermann et al. - 10.1038/s41586-022-05313-9]

Simulando um universo em um átomo

O experimento consiste em átomo artificial - tecnicamente um condensado de Bose-Einstein - formado por um aglomerado de 20.000 átomos de potássio.

Quando esse aglomerado de átomos é posto no vácuo e resfriado até 60 nanokelvin, ou 60 bilionésimos de grau kelvin acima do zero absoluto, ele forma uma nuvem atômica visível a olho nu - mais ou menos com a espessura de um fio de cabelo - que se comporta como se fosse um único átomo.

Esse átomo artificial pode ser estudado e controlado com luz. Por exemplo, disparando um feixe de luz de um lado e analisando o que chega do outro é possível estudar a densidade, a estrutura espacial e as forças que as partículas individuais do condensado exercem umas sobre as outras. E a própria luz pode ser usada para alterar essas propriedades.

Foi fazendo isto - alterando as propriedades do átomo artificial - que Celia Viermann conseguiu fazer com que os átomos seguissem uma equação chamada métrica do espaço-tempo, um cálculo da distância entre dois pontos levando em conta as curvaturas impostas pela Relatividade.

Seja no nosso Universo ou em um universo teórico, essa métrica determina o grau de curvatura, a velocidade da luz e o quanto a luz se curva ao passar perto de objetos muito massivos. Ou seja, o experimento permite configurar um universo com as propriedades que se deseja, e então estudar seu comportamento.

Propagação das correlações quânticas quando o mini-universo está em expansão.
[Imagem: Celia Viermann et al. - 10.1038/s41586-022-05313-9]

Matéria emergindo do vácuo

Quando a equipe disparou um feixe de laser talhado para fazer com os átomos imitassem um universo em expansão, os átomos se moveram exatamente no tipo de padrão de ondulação que seria esperado quando pares de partículas emergem do vácuo quântico.

Assim, em um feito inédito, o experimento demonstrou que uma nuvem de átomos pode funcionar como um minúsculo universo com as características do nosso, com curvatura e em expansão e, mais ainda, comprovando que pares de partículas podem ser produzidos naturalmente pela própria expansão do universo.

Esta é uma informação fundamental sobre a formação da matéria, algo importante para o que acontece em escala cosmológica hoje, mas crucial para o estudo dos momentos iniciais do Universo segundo o modelo do Big Bang, quando o plasma de quarks e glúons deu origem às primeiras partículas.

Além do entusiasmo com estes resultados, a equipe acredita que esse mini-universo representa uma nova ferramenta para estudar como os fenômenos em escala atômica, ou fenômenos quânticos, se relacionam com os fenômenos em grande escala, ou fenômenos relativísticos, eventualmente ajudando a esclarecer como uns falam com os outros, sobretudo o enigma da emergência da força da gravidade.

"Nós encontramos concordância quantitativa com previsões analíticas para diferentes curvaturas no tempo e no espaço. Isso funciona como marco referencial e, assim, estabelece um simulador de campo quântico de uma nova classe. No futuro, atualizações criativas oferecerão a possibilidade de entrar em regimes inexplorados, que forneçam mais informações sobre a dinâmica relativística do campo quântico," escreveu a equipe.

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