Podemos testar ondas gravitacionais para dualidade onda-partícula?
A imagem da Relatividade Geral do espaço-tempo curvo, onde a matéria e a energia determinam como esses sistemas evoluem ao longo do tempo, fez previsões bem-sucedidas que nenhuma outra teoria pode igualar, incluindo a existência e as propriedades das ondas gravitacionais: ondulações no espaço-tempo. Se a teoria quântica estiver certa, essas ondulações devem ter um análogo de partícula, pois a dualidade onda-partícula deve se aplicar a todos os quanta. (LIGO)
Se a gravidade quântica estiver certa, essas ondulações gravitacionais devem ser mais do que ondas; eles devem ser partículas também.
Em fevereiro de 2016, o LIGO fez um anúncio que mudou nossa imagem do Universo para sempre: a mais de um bilhão de anos-luz de distância, dois buracos negros maciços, de 36 e 29 massas solares, se inspiraram e se fundiram. O resultado dessa fusão foi um único buraco negro de 62 massas solares, com as 3 massas solares restantes convertidas em energia pura via Einstein. E = mc² , ondulando por todo o Universo na forma de ondas gravitacionais.
Desde aquela época, o LIGO subiu para dois dígitos com o número de detecções feitas, já que as ondas gravitacionais agora são indubitavelmente reais e nos ensinam uma quantidade incrível sobre o nosso Universo. Mas tudo isso ainda é informação sobre o nosso Universo de acordo com nossa teoria clássica da gravidade: Relatividade Geral. Se a física quântica estiver certa, então a dualidade onda-partícula é real, mesmo para ondas gravitacionais. Aqui está o que isso significa.
Este diagrama, que remonta ao trabalho de Thomas Young no início dos anos 1800, é uma das imagens mais antigas que demonstram interferência construtiva e destrutiva como decorrentes de fontes de ondas originadas em dois pontos: A e B. Esta é uma configuração fisicamente idêntica a um duplo experimento de fenda. (USUÁRIO DO WIKIMEDIA COMMONS SAKURAMBO)
Não é exagero afirmar que a dualidade onda-partícula é um dos fenômenos quânticos mais estranhos já descobertos. Começou de forma bastante simples: a matéria era feita de partículas, coisas como átomos e seus constituintes, e a radiação era feita de ondas. Você poderia dizer que algo era uma partícula porque faria coisas como colidir e ricochetear em outras partículas, se unir, trocar energia, se ligar, etc.
Da mesma forma, você poderia dizer que algo era uma onda porque difrataria e interferiria em si mesmo. Newton entendeu errado sobre a luz, pensando que era feita de partículas, mas outros, como Huygens (seu contemporâneo) e, em seguida, os cientistas do início do século XIX, como Young e Fresnel, mostraram definitivamente que a luz exibia propriedades que não podiam ser explicadas sem considerá-la uma onda.
Os fenômenos mais óbvios aparecem quando você passa a luz por uma fenda dupla: o padrão que aparece em uma tela de fundo mostra que a luz interfere tanto construtiva (levando a pontos brilhantes) quanto destrutiva (levando a pontos escuros).
O padrão de onda para elétrons passando por uma fenda dupla, um de cada vez. Se você medir por qual fenda o elétron passa, você destrói o padrão de interferência quântica mostrado aqui. Embora esse experimento exija alguns equipamentos sofisticados, há muitas maneiras de ver os efeitos do nosso universo quântico em casa e funciona tão bem para fótons quanto para elétrons. (DR. TONOMURA E BELSAZAR DA WIKIMEDIA COMMONS)
Este fenômeno, de interferência, é unicamente um produto de ondas. O experimento da fenda dupla e os análogos subsequentes mais sofisticados estabeleceram que a luz era uma onda. Mas isso ficou mais confuso no início de 1900, com a descoberta do efeito fotoelétrico. Quando você ilumina um determinado material, ocasionalmente os elétrons são expulsos pela luz.
Se você tornasse a luz mais vermelha (e, portanto, de menor energia) – mesmo se você tornasse a luz arbitrariamente intensa – a luz não lançaria nenhum elétron. Mas se você mantiver a luz mais azul (e, portanto, de energia mais alta), mesmo que você abaixe a intensidade, você ainda lançará elétrons. Pouco tempo depois, pudemos descobrir que a luz é quantizada em fótons, e que mesmo fótons individuais poderiam agir como partículas, ionizando os elétrons se tivessem a energia certa.
Este gráfico, da energia do fóton em função da energia do elétron para um elétron ligado em um átomo de zinco, estabelece que abaixo de uma certa frequência (ou energia), nenhum fóton é expulso de um átomo de zinco. Isso independentemente da intensidade. No entanto, acima de um certo limite de energia (em comprimentos de onda suficientemente curtos), os fótons sempre liberam os elétrons. À medida que você continua a aumentar a energia do fóton, os elétrons são ejetados com velocidades crescentes. (USUÁRIO DO WIKIMEDIA COMMONS KLAUS-DIETER KELLER, CRIADO COM INKSCAPE)
Realizações ainda mais estranhas vieram no século 20, quando descobrimos que:
- Fótons únicos, quando você os passa por uma fenda dupla, um de cada vez, ainda interferem neles mesmos, produzindo um padrão consistente com uma natureza ondulatória.
- Os elétrons, conhecidos como partículas, também exibiram esse padrão de interferência e difração.
- Se você mediu por qual fenda um fóton ou elétron passa, não obtém um padrão de interferência, mas se não o mede, obtém um.
Parece que cada partícula que já observamos pode ser descrita como uma onda e uma partícula. Além disso, a física quântica nos ensina que precisamos tratá-la como ambas sob as circunstâncias adequadas, ou não obteremos os resultados que concordam com nossos experimentos.
O sinal de onda gravitacional do primeiro par de buracos negros detectados e fundidos da colaboração LIGO. Os dados brutos e os modelos teóricos são incríveis em quão bem eles combinam e mostram claramente um padrão de onda. (B. P. ABBOTT ET AL. (COLABORAÇÃO LIGO CIENTÍFICA E COLABORAÇÃO VIRGEM))
Agora, finalmente, estamos prontos para considerar as ondas gravitacionais. Eles são meio únicos no que diz respeito à física, porque só vimos a parte ondulatória deles, nunca a parte baseada em partículas.
No entanto, assim como as ondas da água são feitas de partículas, esperamos que as ondas gravitacionais também sejam feitas de partículas. Essas partículas deveriam ser grávitons (em vez de moléculas de água), a partícula que medeia a força da gravidade sob todas as ideias conhecidas que podem fornecer uma teoria quântica da gravidade. Espera-se que os grávitons surjam como consequência da gravidade ser uma força inerentemente quântica na natureza, e as ondas gravitacionais devem ser feitas a partir deles.
Uma série de partículas se movendo ao longo de caminhos circulares pode parecer criar uma ilusão macroscópica de ondas. Da mesma forma, moléculas de água individuais que se movem em um padrão específico podem produzir ondas de água macroscópicas, e as ondas gravitacionais que vemos provavelmente são feitas de partículas quânticas individuais que as compõem: grávitons. (DAVE WHYTE DE ABELHAS E BOMBAS)
Porque é uma onda, e porque essa onda foi observada se comportando exatamente como a Relatividade Geral prevê, incluindo:
- durante a fase inspiratória,
- durante a fase de fusão, e
- durante a fase de toque,
podemos inferir com segurança que ele continuará a fazer todas as coisas semelhantes a ondas que a Relatividade Geral prevê. Eles são um pouco diferentes em detalhes do que as outras ondas com as quais estamos acostumados: não são ondas escalares como as ondas da água, nem mesmo ondas vetoriais como a luz, onde você tem campos elétricos e magnéticos oscilantes em fase.
Em vez disso, são ondas tensoras, que fazem com que o espaço se contraia e se rarifique em direções perpendiculares à medida que a onda passa por essa área.
Essas ondas fazem muitas das mesmas coisas que você esperaria de qualquer tipo de onda, incluindo aquela
- eles se propagam a uma velocidade específica através de seu meio (a velocidade da luz, através do próprio tecido do espaço),
- eles interferem com quaisquer outras ondulações no espaço tanto construtiva quanto destrutivamente,
- essas ondas viajam em cima de qualquer outra curvatura do espaço-tempo que já esteja presente,
- e se houvesse alguma maneira de fazer com que essas ondas difratassem - talvez viajando em torno de uma forte fonte gravitacional como um buraco negro - eles fariam exatamente isso.
Além disso, à medida que o Universo se expande, sabemos que essas ondas farão o que todas as ondas do Universo em expansão fazem: esticar e expandir à medida que o espaço de fundo do Universo também se expande.
À medida que o tecido do Universo se expande, os comprimentos de onda de qualquer radiação presente também serão esticados. Isso se aplica tanto às ondas gravitacionais quanto às ondas eletromagnéticas; qualquer forma de radiação tem seu comprimento de onda esticado (e perde energia) à medida que o Universo se expande. (E. SIEGEL / ALÉM DA GALÁXIA)
Então, a verdadeira questão é, então, como testamos a parte quântica disso? Como procuramos a natureza de partícula de uma onda gravitacional? Em teoria, uma onda gravitacional é semelhante à imagem anterior que mostra uma onda aparente surgindo de muitas partículas que se movem: essas partículas são os grávitons e a onda aparente geral é o que o LIGO detectou. Há todos os motivos para esperar que temos uma série de grávitons em nossas mãos, que são:
- spin-2 partículas,
- que são sem massa,
- que se propagam na velocidade da luz,
- e que só interagem através da força gravitacional.
As restrições do LIGO no segundo – a ausência de massa – são extremamente boas: se o gráviton tem massa, é menos de 1,6 x 10^-22 eV/c², ou cerca de ~10²⁸ vezes mais leve que o elétron. Mas até descobrirmos uma maneira de testar a gravidade quântica usando ondas gravitacionais , não saberemos se a parte partícula da dualidade onda-partícula vale para os grávitons.
Na verdade, temos algumas chances para isso, embora seja improvável que o LIGO tenha sucesso em qualquer uma delas. Você vê, os efeitos gravitacionais quânticos são mais fortes e mais pronunciados onde você tem fortes campos gravitacionais em jogo a distâncias muito pequenas. Que melhor ferramenta poderia haver para investigar esse regime do que a fusão de buracos negros?
Quando duas singularidades se fundem, esses efeitos quânticos - que devem ser desvios da Relatividade Geral - aparecerão no momento da fusão, e logo antes (no final do inspiral) e logo depois (no início do ringdown) fases. Realisticamente, estamos analisando escalas de tempo de picossegundos em vez das escalas de tempo de micro a milissegundos às quais o LIGO é sensível, mas isso pode não ser impossível.
Começando com um pulso de laser de baixa potência, você pode esticá-lo, reduzindo sua potência, depois amplificá-lo, sem destruir seu amplificador, e depois comprimi-lo novamente, criando um pulso de maior potência e período mais curto do que seria possível. A partir de 2010, fizemos a transição dos lasers de femtosegundo (10^-15 s) para a física do laser de attosegundo (10^-18 s). (JOHAN JARNESTAD/THE ROYAL SWEDISH ACADEMY OF SCIENCES)
Desenvolvemos pulsos de laser que funcionam em intervalos de tempo de femtosegundo ou attosegundo (10^-15 s a 10^-18 s), e por isso é concebível que possamos ser sensíveis a pequenos desvios da relatividade se tivermos o suficiente desses interferômetros indo ao mesmo tempo. Seria necessário um tremendo salto na tecnologia, incluindo um grande número de interferômetros, e uma redução significativa no ruído e aumento na sensibilidade. Mas não é tecnicamente impossível; é apenas tecnologicamente difícil!
Para obter um pouco mais de informação, uma vez dei uma palestra em vídeo sobre ondas gravitacionais, LIGO e o que aprendemos com ele para os astrônomos Lowbrow da Universidade de Michigan, e a palestra completa está atualmente online , com a última pergunta abordando exatamente esse ponto.
Esta ilustração mostra quantos pulsares monitorados em uma matriz de tempo podem detectar um sinal de onda gravitacional à medida que o espaço-tempo é perturbado pelas ondas. Da mesma forma, uma matriz de laser suficientemente precisa poderia, em princípio, detectar a natureza quântica das ondas gravitacionais. (DAVID CAMPEÃO / INSTITUTO MAX PLANCK DE RÁDIO ASTRONOMIA)
Embora tenhamos todos os motivos para acreditar que as ondas gravitacionais são simplesmente o análogo quântico das ondas eletromagnéticas, ao contrário do fóton eletromagnético, ainda não enfrentamos os desafios tecnológicos de detectar diretamente a partícula gravitacional que é a contraparte das ondas gravitacionais: o gráviton.
Os teóricos ainda estão calculando os efeitos quânticos exclusivos que devem surgir e estão trabalhando em conjunto com experimentalistas para projetar testes de mesa da gravidade quântica, enquanto os astrônomos de ondas gravitacionais se perguntam como um detector de geração futura pode algum dia revelar a natureza quântica dessas ondas. Embora esperemos que as ondas gravitacionais exibam a dualidade onda-partícula, até que a detectemos, não podemos saber com certeza. Esperamos que a nossa curiosidade nos obrigue a investir nela, que a natureza coopere e que encontremos a resposta de uma vez por todas!
Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium graças aos nossos apoiadores do Patreon . Ethan é autor de dois livros, Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .
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