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Um novo experimento acabou de provar a natureza quântica da gravidade?

Em um nível fundamental, ninguém sabe se a gravidade é realmente quântica por natureza. Um novo experimento sugere fortemente que sim.

A ilustração deste artista mostra como a estrutura espumosa do espaço-tempo pode aparecer, mostrando pequenas bolhas quatrilhões de vezes menores que o núcleo de um átomo que estão constantemente flutuando e duram apenas frações infinitesimais de segundo. Em vez de ser suave, contínuo e uniforme, na escala quântica, o espaço-tempo tem flutuações inerentes a ele. Embora suspeitemos fortemente que a gravidade seja de natureza quântica, só podemos ter certeza por meio de experimentos. (Crédito: NASA/CXC/M. Weiss)

Principais conclusões

• Três de nossas forças fundamentais da natureza – as forças eletromagnéticas e nucleares fortes e fracas – são conhecidas por serem de natureza quântica.
• No entanto, a força fundamental mais antiga conhecida, a gravidade, só demonstrou exibir o comportamento descrito pela relatividade geral de Einstein: uma teoria clássica e contínua.
• Ao demonstrar que as partículas exibem o efeito Aharonov-Bohm para as forças gravitacionais, antes vistas apenas com as eletromagnéticas, podemos ter nossa primeira pista da natureza quântica da gravidade.

Se você decompor a matéria em nosso Universo em seus constituintes subatômicos menores e mais fundamentais, descobriria que tudo era composto de quanta individuais, cada um dos quais possuindo propriedades de onda e partícula simultaneamente. Se você passar uma dessas partículas quânticas por uma fenda dupla e não observar por qual fenda ela passa, o quantum se comportará como uma onda, interferindo consigo mesmo em sua jornada e nos deixando apenas um conjunto probabilístico de resultados para descrever sua trajetória final. Somente observando-o podemos determinar precisamente onde ele está em qualquer momento no tempo.

Esse comportamento bizarro e indeterminado foi cuidadosamente observado, estudado e caracterizado por três de nossas forças fundamentais: a força eletromagnética e as forças nucleares forte e fraca. No entanto, nunca foi testado para a gravitação, que continua sendo a única força restante que só tem uma descrição clássica na forma da relatividade geral de Einstein. Embora muitos experimentos inteligentes tenham tentado revelar se uma descrição quântica da gravidade é necessária para explicar o comportamento dessas partículas fundamentais, nenhum foi realizado de forma decisiva.

No entanto, um fenômeno quântico há muito estudado, o Efeito Aharonov-Bohm , tem acaba de ser descoberto para ocorrer por gravidade assim como o eletromagnetismo. Um resultado muito subestimado, pode ser nossa primeira pista de que a gravidade é verdadeiramente quântica por natureza.

Na relatividade geral, a presença de matéria e energia determinam a curvatura do espaço. Na gravidade quântica, haverá contribuições teóricas de campos quânticos que levam ao mesmo efeito líquido. Até agora, nenhum experimento foi capaz de estabelecer se a gravidade é de natureza quântica ou não, mas estamos chegando mais perto. ( Crédito : Laboratório Nacional Acelerador SLAC)

A questão quântica

No mundo da física quântica, poucos experimentos são mais demonstrativos da natureza bizarra da realidade do que o experimento da dupla fenda. Originalmente realizado com fótons há mais de 200 anos, o brilho da luz através de duas fendas finas e pouco espaçadas resultou não em duas imagens iluminadas na tela atrás das fendas, mas em um padrão de interferência. A luz que passou por cada uma das duas fendas deve estar interagindo antes de atingir a tela, criando um padrão que exibe o comportamento de onda inerente à luz.

Mais tarde, esse mesmo padrão de interferência mostrou ser gerado tanto com elétrons quanto com fótons; para fótons únicos, mesmo quando você os passa pelas fendas, um de cada vez; e para elétrons individuais, novamente mesmo quando você os passa pelas fendas, um de cada vez. Contanto que você não meça por qual fenda as partículas quânticas passam, o comportamento ondulatório é facilmente observável. É uma evidência da natureza mecânica quântica contra-intuitiva, mas muito real, do sistema: de alguma forma, um quantum individual é capaz de passar por duas fendas ao mesmo tempo, em certo sentido, onde deve interferir em si mesmo.

As propriedades ondulatórias da luz tornaram-se ainda melhor compreendidas graças aos experimentos de duas fendas de Thomas Young, onde a interferência construtiva e destrutiva se mostrou dramaticamente. Esses experimentos eram conhecidos para ondas clássicas desde o século XVII; por volta de 1800, Young mostrou que eles também se aplicavam à luz. ( Crédito : Thomas Young)

E ainda assim, se você Faz medida por qual fenda esses quanta passam, você não vê nenhum padrão de interferência. Em vez disso, você obtém apenas dois aglomerados do outro lado da tela, que correspondem ao conjunto de quanta que passou pela fenda 1 e 2, respectivamente.

Este é um resultado extraordinariamente estranho que chega ao cerne do que torna a física quântica tão incomum e, ainda assim, tão poderosa. Você não pode simplesmente atribuir quantidades definidas como uma posição e um momento a cada partícula, como faria em um tratamento clássico pré-quântico dessas quantidades. Em vez disso, você deve tratar a posição e o momento como operadores da mecânica quântica: funções matemáticas que operam (ou agem) em uma função de onda quântica.

Quando você opera em uma função de onda, obtém um conjunto probabilístico de resultados para o que é possível observar. Quando você realmente faz essa observação chave – ou seja, quando você faz com que o quantum que você está observando interaja com outro quantum cujos efeitos você detecta – você recupera apenas um único valor.

A expectativa clássica de enviar partículas através de uma única fenda (L) ou de uma fenda dupla (R). Se você atirar objetos macroscópicos (como seixos) em uma barreira com uma ou duas fendas, esse é o padrão esperado que você pode esperar observar. ( Crédito : Carga Indutiva/Wikimedia Commons)

Vamos supor que você realize esse experimento com elétrons – partículas com uma carga elétrica fundamental negativa – e que você os envie através dessas fendas, um de cada vez. Se você medir por qual fenda o elétron passa, é fácil descrever o campo elétrico gerado pelo elétron ao passar por essa fenda. Mas mesmo que você não faça essa medição crítica – mesmo que o elétron, por assim dizer, passe pelas duas fendas ao mesmo tempo – você ainda pode descrever o campo elétrico que ele gera. A razão pela qual você pode fazer isso é porque não são apenas as partículas ou ondas individuais que são de natureza quântica, mas os campos físicos que permeiam todo o espaço são de natureza quântica também : eles obedecem as regras da teoria quântica de campos.

Para a interação eletromagnética, bem como as interações nucleares fortes e fracas, verificamos e validamos as previsões da teoria quântica de campos muitas vezes. A concordância entre as previsões teóricas e os resultados de experimentos, medições e observações é espetacular, concordando em muitos casos com uma precisão melhor do que 1 parte em um bilhão.

No entanto, se você fizer uma pergunta como o que acontece com o campo gravitacional de um elétron quando ele passa por uma fenda dupla, você ficará desapontado. Teoricamente, sem uma teoria quântica da gravidade funcional, não podemos fazer uma previsão robusta, enquanto experimentalmente detectar tal efeito vai muito além de nossas capacidades atuais. No momento, não sabemos se a gravidade é uma força inerentemente quântica ou não, pois nenhum experimento ou observação foi capaz de fazer uma medição tão crítica.

Talvez o mais assustador de todos os experimentos quânticos seja o experimento da fenda dupla. Quando uma partícula passa pela dupla fenda, ela pousará em uma região cujas probabilidades são definidas por um padrão de interferência. Com muitas dessas observações plotadas juntas, o padrão de interferência pode ser visto se o experimento for realizado corretamente. ( Crédito : Thierry Dugnolle/Wikimedia Commons)

O efeito Aharonov-Bohm

Existem tantos efeitos quânticos sutis que não apenas surgem de nossas equações, mas também foram verificados fisicamente que às vezes é difícil acompanhar todos eles. Por exemplo, no universo clássico, se você tem uma partícula carregada em movimento, ela pode ser afetada tanto pela presença de campos elétricos quanto magnéticos.

• O campo elétrico acelerará a partícula carregada ao longo da direção do campo, em proporção direta à força do campo e proporcional à carga da partícula, fazendo com que ela acelere ou diminua no processo.
• O campo magnético acelera a partícula carregada perpendicularmente ao campo magnético e à direção do movimento da partícula, fazendo com que ela se dobre, mas não aumente ou diminua sua velocidade.

Se seus campos elétrico e magnético forem ambos zero, seu elétron não acelerará; ele continuará em constante movimento, exatamente como você esperaria da primeira lei de Newton.

Mas no universo quântico, há outro efeito que pode mudar o comportamento de sua partícula quântica, mesmo quando os campos elétrico e magnético são zero: o Efeito Aharonov-Bohm . A chave para entendê-lo é aprender a relação entre campos elétricos e magnéticos e um conceito mais abstrato: potencial elétrico e magnético.

Quando uma máquina de Wimshurst é ativada, ela faz com que duas esferas condutoras se carreguem com cargas opostas. Quando um limiar crítico de tensão é ultrapassado, uma faísca salta a lacuna, levando a uma quebra de tensão e uma troca de cargas elétricas. Embora a tensão, ou potencial elétrico, não possa ser vista, seus efeitos podem ser medidos. ( Crédito : Moses Nachman Newman, cca-4.0 int'l)

O potencial elétrico é mais comumente conhecido como tensão. Mudanças na voltagem, de uma região para outra, são o que cria campos elétricos e compele correntes elétricas a fluir. Você pode obter o campo elétrico do potencial elétrico simplesmente tomando o gradiente, que detalha como o campo muda, direcionalmente, ao longo do espaço.

O potencial magnético é um pouco mais complicado porque não tem um análogo comum como a voltagem, e também porque o próprio campo magnético não surge de um simples gradiente, mas sim de uma operação matemática conhecida como a onda do potencial magnético .

Agora, aqui é onde fica interessante: você pode ter um potencial elétrico e/ou magnético diferente de zero em uma região mesmo onde os campos elétrico e magnético são zero. Por muito tempo, os físicos se perguntaram se o potencial era realmente uma coisa física, já que parece ser os campos, não os potenciais, que afetam os movimentos das partículas de maneira mensurável. Isso é verdade na física clássica, mas não exclusivamente na física quântica. Em particular, o potencial se acopla à fase da função de onda de uma partícula carregada, e se você medir a fase dessa partícula carregada – o que você normalmente faz com experimentos de interferência – você descobrirá que ela depende do potencial eletromagnético, não apenas do potencial eletromagnético. os campos elétricos e magnéticos.

O efeito Aharonov-Bohm afirma que a fase de uma partícula mudará à medida que ela se move em torno de uma região contendo um campo magnético, mesmo que o próprio campo seja zero em todos os lugares em que a partícula estiver presente. A mudança de fase foi detectada de forma robusta há décadas, levando muitos a buscar extensões da física original, que se aplicava apenas à força eletromagnética. ( Crédito : E. Cohen et al., Nature Rev. Phys., 2019)

A maneira como normalmente medimos o efeito Aharonov-Bohm é configurar uma região cilíndrica do espaço que contém um campo magnético substancial, mas altamente confinado: algo fácil de criar com uma longa bobina de fio, como um solenóide. Você então coloca uma partícula carregada em movimento em torno desse campo magnético, mas com cuidado, para que a própria partícula não passe pela região que contém o campo.

A função de onda ainda experimentará uma mudança de fase que pode ser – e tem sido – observada experimentalmente. Isso é verdade mesmo que os campos elétrico e magnético sejam desprezíveis fora da região confinada que contém o campo, e a probabilidade de encontrar a partícula dentro da região que contém o campo também seja desprezível.

Pode parecer notícia de ontem. Afinal, o trabalho original de Aharonov e Bohm remonta a 1959 , com um artigo anterior de Ehrenberg e Siday prevendo o mesmo efeito em 1949. No entanto, o mesmo efeito que foi observado para o potencial magnético deve ser observável para qualquer força que surja como consequência de um potencial. Isso inclui não apenas a força elétrica e as outras forças quânticas conhecidas, mas também a força gravitacional. Se uma configuração inteligente o suficiente pudesse ser concebida, também seria possível procurar evidências de um efeito gravitacional Aharonov-Bohm.

Um experimento mental de 2012 propôs uma nova maneira de testar o efeito gravitacional de Aharonov-Bohm, contando com interferometria de laboratório e diferenças no potencial gravitacional experimentado por uma partícula traçando diferentes caminhos. Esse mesmo conceito, uma década depois, foi explorado para criar uma detecção sem precedentes do efeito gravitacional Aharonov-Bohm. ( Crédito : M. Hohensee et ai., Phys. Rev. Lett., 2012)

E a gravidade?

Quando você quer experimentar a força gravitacional, o maior problema é sempre que os efeitos gravitacionais são tão irritantemente pequenos. Apesar pessoas tem sido projetando experimentos para muitas décadas com vista a detectando esse efeito , um enorme avanço veio em 2012 . Uma equipe de pesquisadores liderado por Michael Hohensee surgiu com a ideia de um experimento que poderia ser realizado com a tecnologia atual.

A ideia era que você pode criar átomos ultrafrios e controlar seu movimento pulsando um feixe de laser, inclusive em uma região onde o potencial gravitacional – mas não o campo – é diferente de outros locais. Mesmo em regiões onde a força gravitacional é zero, o que pode ser organizado por uma configuração cuidadosa, o potencial diferente de zero ainda pode ter efeito. Se você pode então dividir um único átomo em duas ondas de matéria, movê-los em áreas com diferentes potenciais, e depois reuni-los novamente, você pode observar um padrão de interferência, medindo sua fase e, portanto, quantificando o efeito gravitacional Aharonov-Bohm.

É um fenômeno puramente quântico que esperamos. Mas, pela primeira vez, é totalmente dependente da força gravitacional, e não de qualquer outra interação.

Neste experimento de fonte atômica, os átomos são lançados verticalmente do fundo com uma massa pesada sobre os tubos de vácuo. Pulsos de laser foram aplicados para dividir, redirecionar e recombinar os pacotes de onda. A influência gravitacional da massa superior terá um efeito diferente no átomo superior versus o inferior, permitindo que um interferômetro detecte as mudanças de fase do efeito gravitacional de Aharonov-Bohm. ( Crédito : A. Roura, Ciência, 2022)

Uma década depois, uma equipe liderada por Chris Overstreet conseguiu. Conforme publicado em a edição de 13 de janeiro de 2022 da Science , a equipe pegou vários átomos de rubídio ultra-frios, colocou-os em superposições quânticas uns com os outros e os obrigou a traçar dois caminhos diferentes dentro de uma câmara de vácuo vertical. Como havia uma massa pesada no topo da câmara - mas que era axialmente simétrica e completamente fora da própria câmara - ela apenas alterava o potencial gravitacional dos átomos, com o átomo que alcançava uma trajetória mais alta experimentando uma mudança maior na potencial.

Então, os átomos são reunidos novamente e, a partir do padrão de interferência que é produzido, surge uma mudança de fase. A quantidade de mudança de fase que é medida deve corresponder a:

• quão separados os dois átomos estão um do outro,
• quão perto cada um deles chega ao topo da câmara,
• e se a massa externa que altera o potencial gravitacional está presente ou não.

Ao realizar esse experimento repetidamente com uma variedade de tais condições, a equipe de Overstreet foi capaz, pela primeira vez, de medir as mudanças de fase desses átomos e compará-las com as previsões teóricas para o efeito gravitacional Aharonov-Bohm. E eis que, não só foi detectado, mas a partida está morta.

Os pontos de dados vermelhos, onde cada ponto representa a média de pelo menos 20 tentativas independentes, traçam o deslocamento de fase medido dos átomos sob a influência do efeito gravitacional de Aharonov-Bohm, enquanto a curva vermelha traça as previsões teóricas. O acordo é espetacular. ( Crédito : C. Overstreet et al., Ciência, 2022)

Com isso em mente, chegamos à grande questão: a detecção dessa mudança de fase da mecânica quântica, devido ao potencial gravitacional e não ao campo gravitacional ou a qualquer uma das forças quânticas conhecidas, demonstra a natureza inerentemente quântica da gravidade?

Não ao ponto de ser uma prova, infelizmente. Criamos um deslocamento de fase, mostramos como o deslocamento se acumula devido ao potencial gravitacional e não ao campo gravitacional, e o medimos para estar de acordo com as previsões teóricas usando interferometria de átomos. Isso estabelece a mesma coisa para a gravitação que foi estabelecida anteriormente para o eletromagnetismo: uma demonstração de que não é simplesmente a força ou o campo gravitacional que é real, mas que o próprio potencial gravitacional tem efeitos físicos reais nas propriedades mecânicas quânticas de um sistema.

Esta é uma conquista notável. Mas a análise pode ser aplicada a qualquer força ou campo derivado de um potencial: tanto quântico quanto clássico. É um tremendo triunfo para a mecânica quântica sob a influência da gravidade, mas não é suficiente para demonstrar a natureza quântica da própria gravidade. Talvez um dia cheguemos lá. Enquanto isso, a busca por uma compreensão mais profunda da própria gravitação continua.

Neste artigo, física de partículas

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