Cientistas registram efeito previsto por Einstein durante experimento quântico

Experimento quântico – Cientistas observaram diretamente, pela primeira vez, um efeito gravitacional previsto pela teoria de Albert Einstein em um objeto quântico em queda. O experimento mostrou que um dos princípios fundamentais da teoria da gravidade permanece compatível com a mecânica quântica nas condições analisadas.

A pesquisa foi conduzida por uma equipe internacional liderada por cientistas da Universidade Ben-Gurion do Negev, da Universidade de Ulm e da Universidade de Oxford, com participação do físico vencedor do Nobel Sir Roger Penrose. O estudo foi publicado na revista Science Advances em 2 de setembro.

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O resultado aborda uma das questões centrais da física moderna: a relação entre duas teorias que descrevem diferentes aspectos do Universo. Enquanto a mecânica quântica explica o comportamento de átomos e outras partículas em escalas muito pequenas, a teoria de Einstein descreve a gravidade, a queda dos corpos e a estrutura do Universo em grande escala.

O experimento investigou justamente a região em que essas duas descrições se encontram.

Como o experimento foi realizado

Para realizar o teste, os pesquisadores desenvolveram um equipamento chamado Interferômetro Quântico de Galileu. O dispositivo permitiu dividir a onda quântica associada a um átomo em dois caminhos distintos.

Uma das partes da onda permaneceu praticamente parada em relação ao laboratório e à Terra, enquanto a outra foi deixada em queda livre sob a ação da gravidade. Posteriormente, os dois caminhos foram reunidos para que a equipe pudesse medir a pequena diferença acumulada durante o movimento.

O experimento utilizou nuvens de átomos de rubídio resfriados a temperaturas próximas do zero absoluto. As partículas foram manipuladas perto da superfície de um chip desenvolvido especificamente para o teste.

Inicialmente, pulsos de micro-ondas colocaram os átomos em uma condição de superposição quântica. Dessa maneira, cada átomo passou a seguir efetivamente os dois caminhos ao mesmo tempo.

Pequenos fios elétricos instalados no chip produziram campos magnéticos controlados. Uma das partes da onda interagiu com esse campo e recebeu uma força para cima capaz de equilibrar precisamente a ação da gravidade. Com isso, permaneceu estacionária em relação ao laboratório.

A outra parte recebeu um pulso magnético controlado e ficou praticamente livre da influência do campo. Assim, pôde se movimentar sob a ação da gravidade em uma trajetória semelhante à de uma bola lançada para o alto.

Depois da queda, um novo pulso magnético reuniu as duas partes da onda. A interferência entre elas permitiu medir uma diferença extremamente pequena na fase quântica acumulada durante o período em que uma parte caía e a outra permanecia parada.

Resultado coincide com previsão de Einstein

A fase quântica registrada pelos pesquisadores coincidiu com o resultado previsto quando o princípio da equivalência de Einstein é aplicado a esse tipo de onda quântica.

De forma simplificada, o princípio estabelece que a gravidade deve desaparecer localmente para um observador em queda livre. O fenômeno ajuda a explicar, por exemplo, a sensação de ausência de peso experimentada por uma pessoa dentro de um elevador em queda livre.

O princípio já havia sido confirmado com grande precisão em experimentos envolvendo matéria comum. O desafio da pesquisa era verificar diretamente seu comportamento em objetos quânticos, que podem apresentar características ondulatórias e seguir mais de um caminho simultaneamente.

Segundo os pesquisadores, experimentos anteriores já haviam utilizado partículas quânticas para medir a gravidade. O diferencial do trabalho foi realizar a primeira medição direta da fase quântica prevista para um objeto em queda livre.

“Este é um artigo único porque combina um experimento difícil com uma interpretação teórica de longo alcance sobre uma das questões mais fundamentais da física: como a gravidade, descrita pela teoria de Einstein, e a teoria quântica podem ser unificadas em uma compreensão do Universo?”, afirmou Ron Folman, autor principal do estudo.

Vlatko Vedral, professor da Universidade de Oxford e coautor da pesquisa, também destacou que o experimento levou a mecânica quântica a uma de suas fronteiras mais intrigantes.

Resultado não significa que a gravidade seja quântica

Apesar da relevância do resultado, os pesquisadores ressaltam que o experimento tem limites. O estudo não produziu uma teoria unificada entre a mecânica quântica e a gravidade e também não demonstrou que a gravidade seja, por si só, quântica.

O que a pesquisa mostrou foi que o princípio da equivalência de Einstein permanece compatível com a mecânica quântica dentro da faixa de condições analisada.

O resultado também não elimina uma hipótese defendida por Roger Penrose. O físico argumenta que a mecânica quântica poderia deixar de funcionar quando objetos suficientemente massivos permanecessem em estados de superposição durante períodos suficientemente longos.

A possibilidade, porém, não foi testada pelo experimento. Os objetos utilizados não tinham massa suficiente e as superposições não duraram tempo bastante para avaliar essa hipótese.

Próximos passos

A equipe pretende ampliar a técnica para estudar objetos mais pesados, incluindo nanodiamantes. Experimentos com esse objetivo já estão sendo realizados pelo mesmo grupo da Universidade Ben-Gurion do Negev.

A pesquisa reúne cientistas da Universidade Ben-Gurion do Negev, Universidade de Oxford, Universidade de Southampton, Centro Aeroespacial Alemão, Instituto de Tecnologias Quânticas de Ulm, Universidade de Ulm e Texas A&M University.

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(Com informações de Olhar Digital)
(Foto: Reprodução/Magnific)