• Começa com um estrondo

Previsão quântica de 70 anos se torna realidade, pois algo é criado do nada

Em nossa experiência comum, você não pode conseguir algo por nada. No reino quântico, algo realmente pode surgir do nada.

Principais conclusões

• Existem todos os tipos de leis de conservação no Universo: para energia, momento, carga e muito mais. Muitas propriedades de todos os sistemas físicos são conservadas: onde as coisas não podem ser criadas ou destruídas.
• Aprendemos como criar matéria sob condições específicas e explícitas: colidindo dois quanta com energias altas o suficiente para que quantidades iguais de matéria e antimatéria possam emergir, desde que E = mc² permita que isso aconteça.
• Pela primeira vez, conseguimos criar partículas sem colisões ou partículas precursoras: através de fortes campos eletromagnéticos e do efeito Schwinger. Aqui está como.

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Quem disse “você não pode obter algo do nada” nunca deve ter aprendido física quântica. Enquanto você tiver espaço vazio - o máximo em nada físico - simplesmente manipulá-lo da maneira certa inevitavelmente fará com que algo surja. Colidem duas partículas no abismo do espaço vazio e, às vezes, surgem pares adicionais de partículas-antipartículas. Pegue um méson e tente arrancar o quark do antiquark, e um novo conjunto de pares partícula-antipartícula será retirado do espaço vazio entre eles. E, em teoria, um campo eletromagnético forte o suficiente pode arrancar partículas e antipartículas do próprio vácuo, mesmo sem nenhuma partícula inicial ou antipartícula.

Anteriormente, pensava-se que as energias de partículas mais altas de todas seriam necessárias para produzir esses efeitos: o tipo só obtido em experimentos de física de partículas de alta energia ou em ambientes astrofísicos extremos. Mas no início de 2022, campos elétricos fortes o suficiente foram criados em uma simples configuração de laboratório, aproveitando as propriedades únicas do grafeno, permitindo a criação espontânea de pares partícula-antipartícula do nada. A previsão de que isso deve ser possível tem 70 anos: remonta a um dos fundadores da teoria quântica de campos: Julian Schwinger. O efeito Schwinger agora é verificado e nos ensina como o Universo realmente faz algo do nada.

Este gráfico das partículas e interações detalha como as partículas do Modelo Padrão interagem de acordo com as três forças fundamentais que a Teoria Quântica de Campos descreve. Quando a gravidade é adicionada à mistura, obtemos o Universo observável que vemos, com as leis, parâmetros e constantes que sabemos que o governam. Mistérios, como matéria escura e energia escura, ainda permanecem.

No Universo que habitamos, é realmente impossível criar “nada” de forma satisfatória. Tudo o que existe, em um nível fundamental, pode ser decomposto em entidades individuais – quanta – que não podem ser mais decompostas. Essas partículas elementares incluem quarks, elétrons, primos mais pesados ​​do elétron (múons e taus), neutrinos, bem como todas as suas contrapartes de antimatéria, além de fótons, glúons e os bósons pesados: os W+, W-, Z ⁰ , e o Higgs. Se você tirar todos eles, no entanto, o “espaço vazio” que resta não é tão vazio em muitos sentidos físicos.

Por um lado, mesmo na ausência de partículas, os campos quânticos permanecem. Assim como não podemos tirar as leis da física do Universo, não podemos tirar dele os campos quânticos que permeiam o Universo.

Por outro lado, não importa o quão longe nos movamos quaisquer fontes de matéria, existem duas forças de longo alcance cujos efeitos ainda permanecerão: eletromagnetismo e gravitação. Embora possamos fazer configurações inteligentes que garantam que a força do campo eletromagnético em uma região seja zero, não podemos fazer isso para a gravitação; o espaço não pode ser “completamente esvaziado” em nenhum sentido real a esse respeito.

Em vez de uma grade tridimensional vazia, em branco, colocar uma massa para baixo faz com que o que seriam linhas 'retas' se tornem curvas por uma quantidade específica. Não importa o quão longe você esteja de um ponto de massa, a curvatura do espaço nunca chega a zero, mas sempre permanece, mesmo em alcance infinito.

Mas mesmo para a força eletromagnética – mesmo se você zerar completamente os campos elétricos e magnéticos dentro de uma região do espaço – há um experimento que você pode realizar para demonstrar que o espaço vazio não é realmente vazio. Mesmo se você criar um vácuo perfeito, desprovido de todas as partículas e antipartículas de todos os tipos, onde os campos elétricos e magnéticos são zero, há claramente algo que está presente nesta região do que um físico poderia chamar, do ponto de vista físico, “máximo nada .”

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Tudo que você precisa fazer é colocar um conjunto de placas condutoras paralelas nesta região do espaço. Considerando que você poderia esperar que a única força que eles experimentariam entre eles seria a gravidade, definida por sua atração gravitacional mútua, o que realmente acaba acontecendo é que as placas se atraem em uma quantidade muito maior do que a gravidade prevê.

Esse fenômeno físico é conhecido como o efeito Casimiro , e se mostrou verdadeiro por Steve Lamoreaux em 1996 : 48 anos depois de calculado e proposto por Hendrik Casimir.

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 atraem, como previsto por Casimir na década de 1940 e verificado experimentalmente por Lamoreaux na década de 1990.

Da mesma forma, em 1951, Julian Schwinger, já cofundador da teoria quântica de campos que descreve os elétrons e a força eletromagnética, deu uma descrição teórica completa de como a matéria poderia ser criada do nada: simplesmente aplicando um forte campo elétrico. Embora outros tenham proposto a ideia na década de 1930, incluindo Fritz Sauter, Werner Heisenberg e Hans Euler, o próprio Schwinger fez o trabalho pesado para quantificar precisamente em que condições esse efeito deveria surgir e, a partir de então, tem sido conhecido principalmente como o efeito. efeito de balanço .

Normalmente, esperamos que haja flutuações quânticas no espaço vazio: excitações de todo e qualquer campo quântico que possa estar presente. O princípio da incerteza de Heisenberg dita que certas quantidades não podem ser conhecidas em conjunto com precisão arbitrária, e isso inclui coisas como:

• energia e tempo,
• posição e impulso,
• orientação e momento angular,
• tensão e carga elétrica livre,
• bem como campo elétrico e densidade de polarização elétrica.

Enquanto normalmente expressamos o princípio da incerteza em termos das duas primeiras entidades, por si só, as outras aplicações podem ter consequências igualmente profundas.

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. Cada vez que você mede com precisão uma, você garante uma incerteza maior na quantidade complementar correspondente.

Lembre-se de que, para qualquer força que exista, podemos descrevê-la em termos de um campo: onde a força experimentada por uma partícula é sua carga multiplicada por alguma propriedade do campo. Se uma partícula passa por uma região do espaço onde o campo é diferente de zero, ela pode experimentar uma força, dependendo de sua carga e (às vezes) de seu movimento. Quanto mais forte o campo, maior a força, e quanto mais forte o campo, maior a quantidade de “energia de campo” existente naquela região específica do espaço.

Mesmo no espaço puramente vazio, e mesmo na ausência de campos externos, ainda haverá alguma quantidade diferente de zero de energia de campo que existe em qualquer região do espaço. Se houver campos quânticos em todos os lugares, então simplesmente pelo princípio da incerteza de Heisenberg, para qualquer período de tempo em que escolhermos medir essa região, haverá uma quantidade inerentemente incerta de energia presente nessa região durante esse período de tempo.

Quanto menor o período de tempo que estamos analisando, maior a incerteza na quantidade de energia nessa região. Aplicando isso a todos os estados quânticos permitidos, podemos começar a visualizar os campos flutuantes, bem como os pares flutuantes de partícula-antipartícula, que surgem e desaparecem devido a todas as forças quânticas do Universo.

Mesmo no vácuo do espaço vazio, desprovido de massas, cargas, espaço curvo e quaisquer campos externos, as leis da natureza e os campos quânticos subjacentes a elas ainda existem. Se você calcular o estado de energia mais baixa, poderá descobrir que não é exatamente zero; a energia do ponto zero (ou vácuo) do Universo parece ser positiva e finita, embora pequena.

Agora, vamos imaginar aumentando o campo elétrico. Aumente o volume, cada vez mais alto, e o que acontecerá?

Vamos pegar um caso mais fácil primeiro e imaginar que há um tipo específico de partícula já presente: um méson. Um méson é feito de um quark e um antiquark, conectados um ao outro através da força forte e da troca de glúons. Os quarks vêm em seis sabores diferentes: up, down, strange, charm, bottom e top, enquanto os anti-quarks são simplesmente antiversões de cada um deles, com cargas elétricas opostas.

Os pares quark-antiquark dentro de um méson às vezes têm cargas opostas entre si: +⅔ e -⅔ (para cima, charme e topo) ou +⅓ e -⅓ (para baixo, estranho e baixo). Se você aplicar um campo elétrico a tal méson, a extremidade carregada positivamente e a extremidade carregada negativamente serão puxadas em direções opostas. Se a força do campo for grande o suficiente, é possível puxar o quark e o antiquark para longe um do outro o suficiente para que novos pares partícula-antipartícula sejam arrancados do espaço vazio entre eles. Quando isso ocorre, acabamos com dois mésons em vez de um, com a energia necessária para criar a massa extra (via E = mc² ) vindo da energia do campo elétrico que rasgou o méson em primeiro lugar.

Quando um méson, como uma partícula charm-anticharm mostrada aqui, tem suas duas partículas constituintes separadas por uma quantidade muito grande, torna-se energeticamente favorável arrancar um novo par quark/antiquark (leve) do vácuo e criar dois mésons onde havia um antes. Um campo elétrico forte o suficiente, para mésons de vida longa o suficiente, pode causar isso, com a energia necessária para criar partículas mais massivas provenientes do campo elétrico subjacente.

Agora, com tudo isso como pano de fundo em nossas mentes, vamos imaginar que temos um campo elétrico muito, muito forte: mais forte do que qualquer coisa que poderíamos esperar fazer na Terra. Algo tão forte que seria como tomar um Coulomb completo de carga - cerca de ~ 10 ¹⁹ elétrons e prótons – e condensando cada um deles em uma pequena bola, uma puramente de carga positiva e outra puramente de carga negativa, e separando-as por apenas um metro. O vácuo quântico, nesta região do espaço, será extremamente fortemente polarizado.

A polarização forte significa uma forte separação entre cargas positivas e negativas. Se o seu campo elétrico em uma região do espaço é forte o suficiente, então quando você cria um par virtual partícula-antipartícula da partícula carregada mais leve de todas (elétrons e pósitrons), você tem uma probabilidade finita de que esses pares sejam separados por quantidades suficientemente grandes devido à força do campo que eles não podem mais aniquilar um ao outro. Em vez disso, eles se tornam partículas reais, roubando energia do campo elétrico subjacente para manter a energia conservada.

Como resultado, novos pares partícula-antipartícula passam a existir, e a energia necessária para fazê-los, de E = mc² , reduz a intensidade do campo elétrico externo na quantidade apropriada.

Conforme ilustrado aqui, os pares partícula-antipartícula normalmente saem do vácuo quântico como consequência da incerteza de Heisenberg. Na presença de um campo elétrico forte o suficiente, no entanto, esses pares podem ser separados em direções opostas, tornando-os incapazes de reaniquilar e forçando-os a se tornarem reais: às custas da energia do campo elétrico subjacente.

É isso que é o efeito Schwinger e, sem surpresa, nunca foi observado em um ambiente de laboratório. De fato, os únicos lugares onde se teorizou que isso ocorresse eram nas regiões astrofísicas de maior energia existentes no Universo: nos ambientes ao redor (ou mesmo no interior de) buracos negros e estrelas de nêutrons. Mas nas grandes distâncias cósmicas que nos separam até mesmo dos buracos negros e estrelas de nêutrons mais próximos, até isso permanece como conjectura. Os campos elétricos mais fortes que criamos na Terra estão em instalações de laser e, mesmo com os lasers mais fortes e intensos nos tempos de pulso mais curtos, ainda não estamos nem perto.

Normalmente, sempre que você tem um material condutor, são apenas os “elétrons de valência” que ficam livres para se mover, contribuindo para a condução. Se você pudesse obter campos elétricos grandes o suficiente, no entanto, você poderia fazer com que todos os elétrons se juntassem ao fluxo. Em janeiro de 2022, pesquisadores da Universidade de Manchester foram capazes de alavancar uma configuração complexa e inteligente envolvendo grafeno – um material incrivelmente forte que consiste em átomos de carbono unidos em estados geometricamente ótimos – para alcançar essa propriedade com um campo magnético relativamente pequeno e experimentalmente acessível. Ao fazer isso, eles também testemunham o efeito Schwinger em ação: produzindo o análogo de pares elétron-pósitron nesse sistema quântico.

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 o gap zero, permitindo que buracos e elétrons emerjam e fluam.

O grafeno é um material estranho de várias maneiras, e uma dessas maneiras é que as folhas dele se comportam efetivamente como uma estrutura bidimensional. Ao reduzir o número de dimensões (efetivas), muitos graus de liberdade presentes em materiais tridimensionais são retirados, deixando muito menos opções para as partículas quânticas internas, além de reduzir o conjunto de estados quânticos disponíveis para elas ocuparem.

Aproveitando uma estrutura baseada em grafeno conhecida como super-rede — onde várias camadas de materiais criam estruturas periódicas — os autores deste estudo aplicou um campo elétrico e induziu o mesmo comportamento descrito acima: onde os elétrons do estado de energia parcialmente ocupado mais alto fluem como parte da condução do material, mas onde os elétrons das bandas mais baixas e completamente preenchidas também se juntam ao fluxo.

Uma vez que isso ocorre, muitos comportamentos exóticos surgiram neste material, mas um foi visto pela primeira vez: o efeito Schwinger. Em vez de produzir elétrons e pósitrons, produziu elétrons e o análogo da matéria condensada dos pósitrons: buracos, onde um elétron “faltando” em uma rede flui em direções opostas ao fluxo de elétrons. 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 concordavam com as previsões de Schwinger desde 1951.

As configurações atômicas e moleculares vêm em um número quase infinito de combinações possíveis, mas as combinações específicas encontradas em qualquer material determinam suas propriedades. O grafeno, que é uma folha individual de um único átomo do material mostrado aqui, é o material mais duro conhecido pela humanidade e, em pares de folhas, pode criar um tipo de material conhecido como super-rede, com muitas propriedades intrincadas e contra-intuitivas .

Existem muitas maneiras de estudar o Universo, e os sistemas analógicos quânticos - onde a mesma matemática que descreve um regime físico inacessível se aplica a um sistema que pode ser criado e estudado em laboratório - são algumas das sondas mais poderosas que temos de exóticos. física. É muito difícil prever como o efeito Schwinger poderia ser testado em sua forma pura, mas graças às propriedades extremas do grafeno, incluindo sua capacidade de suportar campos elétricos e correntes espetacularmente grandes, ele surgiu pela primeira vez em qualquer forma: em este sistema quântico particular. Como o coautor Dr. Roshan Krishna Kumar colocou:

“Quando vimos pela primeira vez as características espetaculares de nossos dispositivos de superrede, pensamos ‘uau… poderia ser algum tipo de nova supercondutividade’. Embora a resposta se assemelhe muito àquelas observadas rotineiramente em supercondutores, logo descobrimos que o comportamento intrigante não era supercondutividade, mas sim algo no domínio da astrofísica e da física de partículas. É curioso ver tais paralelos entre disciplinas distantes.”

Com elétrons e pósitrons (ou “buracos”) sendo criados literalmente do nada, apenas arrancados do vácuo quântico pelos próprios campos elétricos, é mais uma maneira de o Universo demonstrar o aparentemente impossível: realmente podemos fazer algo do absolutamente nada!

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