• Começa com um estrondo

3 provas independentes de que campos quânticos carregam energia

Os campos quânticos são reais ou são simplesmente ferramentas de cálculo? Esses 3 experimentos mostram que, se a energia é real, os campos quânticos também são.

Principais conclusões

• A teoria quântica de campos, desenvolvida do final da década de 1920 até a década de 1940 e além, postulou que não apenas as partículas, mas os campos quânticos subjacentes a elas eram fundamentais.
• Durante décadas, os cientistas discutiram se os campos quânticos eram realmente reais ou se eram simplesmente ferramentas de cálculo, úteis para descrever o comportamento de partículas observáveis.
• Nos últimos anos, no entanto, vários experimentos separados parecem ter resolvido a questão: os campos quânticos carregam energia e isso pode ser observado. Se a energia é real, e é, então os campos quânticos também são.

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Uma das maiores questões que aparecem na interseção da física e da filosofia é tão simples quanto intrigante: o que é real? A realidade é simplesmente descrita pelas partículas que existem, sobre um fundo de espaço-tempo descrito pela Relatividade Geral? É fundamentalmente errado descrever essas entidades como partículas, e devemos considerá-las como algum tipo de função híbrida onda/partícula/probabilidade: uma descrição mais completa de cada “quântico” em nossa realidade? Ou existem campos, fundamentalmente, que sustentam toda a existência, onde os “quanta” com os quais normalmente interagimos são simplesmente exemplos de excitações desses campos?

Quando a mecânica quântica entrou em cena, trouxe consigo a percepção de que quantidades que antes se pensava serem bem definidas, como:

• a posição e o momento de uma partícula,
• sua energia e localização no tempo,
• e seu momento angular em cada uma das três dimensões espaciais que temos,

não podiam mais receber valores, apenas uma distribuição de probabilidade para quais valores eles poderiam assumir. Embora essa estranheza, por si só, trouxesse muitos argumentos sobre a natureza da realidade, as coisas logo ficariam ainda mais estranhas com a introdução de campos quânticos. Por gerações, os físicos discutiram se esses campos quânticos eram realmente reais ou se eram simplesmente ferramentas de cálculo.

Quase um século depois, temos certeza de que eles são reais por uma razão inequívoca: eles carregam energia. Aqui está como descobrimos.

Este diagrama ilustra a relação de incerteza inerente entre posição e momento. Quando um é conhecido com mais precisão, o outro é inerentemente menos capaz de ser conhecido com precisão. Outros pares de variáveis ​​conjugadas, incluindo energia e tempo, rotação em duas direções perpendiculares, ou posição angular e momento angular, também exibem essa mesma relação de incerteza.

A teoria quântica de campos surgiu devido a uma inconsistência na mecânica quântica como ela foi originalmente compreendida. Em vez de ter propriedades físicas como “posição” e “momentum” simplesmente como quantidades que eram propriedades inerentes de uma partícula que as possuía, a mecânica quântica nos permitiu entender que a medição de uma induzia inerentemente uma incerteza na outra. Não poderíamos mais tratá-los como “propriedades”, mas sim como operadores da mecânica quântica, onde poderíamos apenas saber qual poderia ser a probabilidade do conjunto de resultados possíveis.

Para algo como posição e momento, essas distribuições de probabilidade teriam uma dependência do tempo: as posições que você provavelmente mediria ou os momentos que você inferiria que uma partícula possuída mudariam e evoluiriam com o tempo.

Mas isso esbarrou em outro problema que não pudemos evitar depois que entendemos a teoria da relatividade de Einstein: a noção de tempo é diferente para observadores em diferentes referenciais. As leis da física devem ser relativamente invariantes, dando as mesmas respostas independentemente de onde você esteja e com que velocidade (e em que direção) você está se movendo.

Diferentes estruturas de referência, incluindo diferentes posições e movimentos, veriam diferentes leis da física (e discordariam sobre a realidade) se uma teoria não fosse relativisticamente invariante. O fato de termos uma simetria em “impulsos” ou transformações de velocidade nos diz que temos uma quantidade conservada: momento linear. O fato de uma teoria ser invariante sob qualquer tipo de transformação de coordenadas ou velocidade é conhecido como invariância de Lorentz, e qualquer simetria invariante de Lorentz conserva a simetria CPT. No entanto, C, P e T (assim como as combinações CP, CT e PT) podem ser violados individualmente. As formulações originais da mecânica quântica não tinham essa propriedade.

O problema é que a velha escola de mecânica quântica, como a descrita pela equação de Schrödinger, produz diferentes previsões para observadores em diferentes referenciais: não é relativisticamente invariante! Levou anos de desenvolvimento antes que as primeiras equações que descreviam o comportamento quântico da matéria de uma maneira relativisticamente invariante fossem escritas, incluindo:

• a equação de Klein-Gordon, aplicada a partículas de spin-0,
• a equação de Dirac, que se aplica a partículas spin-½ (como elétrons),
• e a equação de Proca, que se aplica a partículas de spin-1 (como fótons).

Classicamente, você descreveria os campos (como campos elétricos e magnéticos) que cada partícula gera e, em seguida, cada quantum interagiria com esses campos. Mas o que você faz quando cada partícula geradora de campo tem propriedades inerentemente incertas, como posição e momento? Você não pode simplesmente tratar o campo elétrico gerado por esse elétron espalhado em forma de onda como vindo de um único ponto e obedecendo às leis clássicas das equações de Maxwell.

Isso foi o que nos compeliu a avançar da mecânica quântica simples para teoria quântica de campos , que não apenas promoveu certas propriedades físicas a operadores quânticos, mas promoveu os próprios campos a operadores quânticos.

Quando pensamos no universo quântico, normalmente pensamos em partículas individuais que também exibem propriedades semelhantes a ondas. Mas, na verdade, isso é apenas parte da história; as partículas não são apenas quânticas, mas os campos e as interações entre elas também.

Com a teoria quântica de campos, um número enorme de fenômenos já observados finalmente fez sentido, pois ter operadores de campo (além de “operadores de partículas” como posição e momento) nos permitiu explicar:

• criação e aniquilação partícula-antipartícula,
• decaimentos radioativos,
• correções quânticas para os momentos magnéticos do elétron (e do múon),

e muito mais.

Mas esses campos quânticos eram apenas uma descrição matemática das partículas que realmente compunham nossa realidade, ou eram eles mesmos reais?

Uma maneira de responder a essa pergunta – se algo é “real” ou não – é perguntar o que você pode fazer com isso. Claro, não podemos medir os próprios campos subjacentes, mas se pudermos fazer coisas como extrair energia deles, usá-los para realizar “trabalho” (ou seja, mover massas a uma certa distância através da aplicação de uma força) ou persuadir eles em uma configuração em que resultam em uma assinatura observável definitiva que é exclusiva da teoria quântica de campos, que pode provar sua “realidade”. No início de 2023, já tínhamos três provas experimentais empíricas independentes de que os campos quânticos são, de fato, muito reais.

Se você tem dois condutores com cargas iguais e opostas, é um exercício apenas de física clássica calcular o campo elétrico e sua intensidade em cada ponto do espaço. Na mecânica quântica, discutimos como as partículas respondem a esse campo elétrico, mas o campo em si também não é quantizado. Esta parece ser a maior falha na formulação da mecânica quântica.

1.) O Efeito Casimir . Em teoria, existem campos quânticos de todos os tipos – desde as forças nucleares eletromagnéticas, fracas e fortes – permeando todo o espaço. Uma maneira de visualizar esse campo é imaginar uma série de flutuações quânticas, ou ondas, de todos os diferentes comprimentos de onda possíveis. Normalmente, no espaço vazio, esses comprimentos de onda podem assumir qualquer valor, e fazer: o que chamamos de “energia do ponto zero” do espaço, ou o “estado fundamental” do espaço vazio, surge da soma de todas as contribuições possíveis.

No entanto, você pode imaginar a criação de barreiras que restringem os tipos de ondas e comprimentos de onda possíveis em uma determinada região do espaço. Na física, geralmente chamamos essas restrições de “condições de contorno” e elas nos permitem controlar todos os tipos de fenômenos eletromagnéticos, incluindo sinais de rádio e televisão.

Em 1948, o físico Hendrik Casimir percebeu que, se alguém montasse uma configuração em que duas placas condutoras paralelas fossem mantidas muito próximas uma da outra, os modos de onda “permitidos” de fora das placas seriam infinitos, enquanto dentro das placas, apenas um subconjunto de modos seria permitido.

O efeito Casimir, ilustrado aqui para duas placas condutoras paralelas, exclui certos modos eletromagnéticos do interior das placas condutoras enquanto os permite fora das placas. Como resultado, as placas se atraem, conforme previsto por Casimir na década de 1940 e verificado experimentalmente por Lamoreaux na década de 1990.

Como resultado, puramente como um efeito dos campos quânticos entre eles, haveria uma diferença nas forças internas e externas atuando nas placas, com a força específica dependente da configuração exata. Embora fosse geralmente aceito que o efeito Casimir deveria existir, acabou sendo incrivelmente difícil de medir.

Felizmente, 49 anos depois que Casimir o propôs, os experimentos finalmente foram alcançados. Em 1997, Steve Lamoreaux desenvolveu um experimento que alavancou uma única placa plana e uma seção de uma esfera extremamente grande para calcular e medir o efeito Casimir entre eles. Eis que os resultados experimentais concordaram com as previsões teóricas com mais de 95% de precisão, com apenas um pequeno erro e incerteza envolvidos.

Desde o início dos anos 2000, o efeito Casimir foi medido diretamente entre placas paralelas, e um chip de silício integrado foi demonstrado para medir a força Casimir até mesmo entre geometrias complexas. Se os campos quânticos não fossem “reais”, esse efeito muito real existiria sem explicação.

À medida que as ondas eletromagnéticas se propagam para longe de uma fonte cercada por um forte campo magnético, a direção da polarização será afetada devido ao efeito do campo magnético no vácuo do espaço vazio: birrefringência do vácuo. Ao medir os efeitos dependentes do comprimento de onda da polarização em torno de estrelas de nêutrons com as propriedades certas, podemos confirmar as previsões de partículas virtuais no vácuo quântico.

2.) Birrefringência a vácuo . Em regiões com campos magnéticos muito fortes, o próprio espaço vazio — apesar de não ser “feito” de nada físico — deve ficar magnetizado, pois os campos quânticos naquela região do espaço sentirão o efeito do campo externo. No Universo real, os pulsares realmente fornecem esse laboratório natural: gerando campos magnéticos que são vários bilhões de vezes maiores do que os eletroímãs mais fortes que criamos em laboratórios na Terra. Quando a luz passa por esse espaço altamente magnetizado, essa luz deve se tornar polarizada como resultado, mesmo que a luz tenha sido completamente despolarizada para começar.

A previsão desse efeito, conhecido como birrefringência a vácuo, remonta a Werner Heisenberg. No entanto, não foi observado até 2016, quando uma equipe observou uma estrela de nêutrons notavelmente “silenciosa” localizada a 400 anos-luz de distância: RX J1856.5-3754. Isso marcou o objeto mais fraco para o qual a polarização já havia sido medida e, ainda assim, o grau de polarização linear era grande e significativo: 16%. Sem o efeito de aumento da birrefringência do vácuo no espaço vazio ao redor deste pulsar, esta polarização não pode ser explicada. Mais uma vez, os efeitos dos campos quânticos aparecem em um lugar inequívoco e mensurável.

Em teoria, o efeito Schwinger afirma que, na presença de campos elétricos fortes o suficiente, as partículas (carregadas) e suas contrapartes antipartículas serão arrancadas do vácuo quântico, o próprio espaço vazio, para se tornarem reais. Teorizadas por Julian Schwinger em 1951, as previsões foram validadas em um experimento de mesa, usando um sistema analógico quântico, pela primeira vez.

3.) O Efeito Schwinger . Em vez de campos magnéticos, imagine que você tem um campo elétrico extremamente forte; algo muito mais forte do que você jamais poderia fazer na Terra. Em vez da polarização magnética, o vácuo quântico se tornaria eletricamente polarizado: da mesma forma que as cargas migram para as extremidades opostas de uma bateria ou outra fonte de tensão.

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Nas profundezas do espaço vazio, ocorrem flutuações quânticas de todos os tipos, incluindo a rara, mas importante, criação de pares de partículas e antipartículas. As partículas carregadas mais leves são o elétron e sua contraparte de antimatéria, o pósitron, e essas também são as partículas que aceleram mais (devido às suas massas baixas) na presença de um campo elétrico.

Normalmente, esses pares partícula-antipartícula se aniquilam de volta ao “nada” antes que possam ser detectados. Mas se você aumentar a força do seu campo elétrico em uma quantidade grande o suficiente, talvez o elétron e o pósitron não consigam se encontrar novamente, porque eles foram afastados um do outro pelos efeitos da eletricidade. espaço vazio polarizado em que eles existem.

O grafeno tem muitas propriedades fascinantes, mas uma delas é uma estrutura de banda eletrônica única. Existem bandas de condução e bandas de valência, e elas podem se sobrepor com gap zero, permitindo que buracos e elétrons surjam e fluam.

Em teoria, os ambientes muito fortes dentro de uma estrela de nêutrons deveriam atingir esses campos, e você poderia criar novos pares partícula-antipartícula a partir da energia do campo elétrico por meio da equação mais famosa de Einstein: E = mc² . Não podemos realizar experimentos nesse ambiente, no entanto, nem podemos recriar tais condições na Terra e, como resultado, a maioria dos pesquisadores desistiu da ideia de testar o efeito Schwinger.

Mas no início de 2022, uma equipe de pesquisadores fez isso mesmo assim. Aproveitando uma estrutura baseada em grafeno conhecida como super látex — onde múltiplas camadas de materiais criam estruturas periódicas — os autores deste estudo aplicou um campo elétrico e induziu a criação espontânea de elétrons e “buracos”, que são a matéria condensada análoga aos pósitrons, ao custo de roubar energia do campo elétrico aplicado subjacente.

A única maneira de explicar as correntes observadas era com esse processo adicional de produção espontânea de elétrons e “buracos”, e os detalhes do processo concordou com as previsões de Schwinger desde 1951.

Uma visualização do QCD ilustra como os pares partícula/antipartícula saem do vácuo quântico por períodos muito pequenos de tempo como consequência da incerteza de Heisenberg. O vácuo quântico é interessante porque exige que o próprio espaço vazio não seja tão vazio, mas seja preenchido com todas as partículas, antipartículas e campos em vários estados exigidos pela teoria quântica de campos que descreve nosso Universo. Junte tudo isso e você descobrirá que o espaço vazio tem uma energia de ponto zero que na verdade é maior que zero.

Claro, pode-se argumentar que os campos quânticos precisavam ser reais desde o início: desde a primeira observação do Mudança de cordeiro em 1947. Os elétrons no orbital 2s do hidrogênio ocupam um nível de energia ligeiramente diferente dos elétrons no orbital 2p, que não surgiram nem mesmo na mecânica quântica relativística; o Experiência de Lamb-Retherford revelou antes mesmo que a primeira teoria quântica de campo moderna – a eletrodinâmica quântica – fosse desenvolvida por Schwinger, Feynman, Tomonaga e outros.

Ainda assim, há algo muito especial em prever um efeito antes que ele seja observado, em vez de explicar um efeito já observado após o fato, e é por isso que os outros três fenômenos se destacam do ímpeto inicial para a formulação de uma teoria quântica de campos.

Uma possível conexão com o Universo maior é o fato de que o efeito observado da energia escura, que causa a expansão acelerada do Universo, se comporta de forma idêntica ao que esperaríamos se houvesse um valor pequeno, mas positivo, diferente de zero para o zero- energia pontual do espaço vazio. A partir de 2023, isso ainda é especulação, pois calcular a energia do ponto zero do espaço está além da capacidade atual dos físicos. No entanto, os campos quânticos devem ser considerados reais, pois carregam energia e têm efeitos calculáveis ​​e mensuráveis ​​sobre a luz e a matéria dentro do Universo. Talvez, se a natureza for gentil, possamos estar prestes a descobrir uma conexão ainda mais profunda.

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