Pesquisadores liderados pela Universidade de Warwick introduziram o primeiro método unificado para detectar “flutuações do espaço-tempo” – pequenas distorções aleatórias na estrutura do espaço-tempo vistas em muitas tentativas de vincular a física quântica à gravidade.
Essas minúsculas variações foram propostas pela primeira vez pelo físico John Wheeler e espera-se que surjam em várias das principais teorias da gravidade quântica. No entanto, diferentes teorias prevêem diferentes tipos de flutuações, tornando difícil para os cientistas experimentais saberem exatamente quais sinais procurar.
Transformando a teoria em sinais mensuráveis
Nova pesquisa, publicada Comunicação da naturezaaborda esse problema agrupando as flutuações do espaço-tempo em três categorias principais com base em como elas se comportam no espaço e no tempo. Para cada categoria, a equipe identificou padrões claros e mensuráveis que poderiam ser detectados usando interferômetros a laser – desde sistemas de grande escala como o LIGO de 4 km de comprimento até configurações experimentais menores como QUEST e GQuEST sendo desenvolvidos no Reino Unido (Universidade de Cardiff) e nos EUA (Caltech), respectivamente.
Sharmila Balamurugan, professora assistente da Universidade de Warwick e primeira autora, disse:”Diferentes modelos gravitacionais preveem tendências subjacentes muito diferentes nas flutuações aleatórias do espaço-tempo, e isso deixou os experimentalistas sem um alvo claro. Nosso trabalho fornece as primeiras diretrizes unificadoras que traduzem esses símbolos abstratos, teóricos e predefinidos.
“Isso significa que agora podemos testar toda uma classe de previsões da gravidade quântica usando interferômetros existentes, sem esperar por tecnologias inteiramente novas. Este é um passo importante para testar rigorosamente algumas das questões mais fundamentais da física.”
O que o estudo revela
Aqui estão alguns insights importantes sobre como diferentes instrumentos podem detectar essas flutuações:
- O interferômetro de mesa supera o LIGO em largura de banda.
Apesar de seu tamanho muito menor, sistemas como QUEST e GQuEST podem fornecer informações mais detalhadas sobre as flutuações do espaço-tempo. Sua faixa de frequência mais ampla permite capturar todos os padrões de sinais principais. - LIGO é um excelente detector “sim/não”.
Devido à sua cavidade de braço longo, o LIGO é extremamente sensível à existência de flutuações no espaço-tempo. No entanto, as frequências relevantes estão fora da faixa atualmente disponível nos dados públicos. - Uma controvérsia de longa data foi resolvida.
O estudo aborda uma questão contínua sobre se as cáries nas mãos melhoram a detecção. Os resultados mostram que aumentam a sensibilidade, dependendo do tipo de flutuação estudada.
Dr. coautor do estudo. Sander Vermeulen, Caltech, disse: “Os interferômetros podem medir o espaço-tempo com extraordinária precisão. No entanto, para medir as flutuações do espaço-tempo com um interferômetro, precisamos saber onde – isto é, em que frequência – olhar e como será o sinal. Com nossa estrutura, podemos agora prever que nosso interferômetro mostrará um resultado forte, e um resultado forte para o interferômetro. Uma ferramenta versátil na busca pela gravidade quântica. “
Uma ferramenta flexível para física fundamental
Um ponto forte importante deste quadro é o facto de não se basear numa única explicação sobre como surgem estas instabilidades. Em vez disso, requer apenas uma descrição matemática das flutuações propostas e detalhes sobre a configuração da medição. Esta flexibilidade torna-o útil não apenas para estudar a gravidade quântica, mas também para investigar ondas gravitacionais estocásticas, possíveis sinais de matéria escura e certos tipos de ruído experimental.
Animesh Dutta, professor de física teórica em Warwick, concluiu: “Com esta abordagem, podemos agora tratar o modelo proposto de flutuações do espaço-tempo de uma forma consistente e comparável. Nos próximos anos, podemos usá-lo para projetar interferômetros de mesa mais inteligentes e confirmar ou refutar possíveis quase-teorias da matéria escura e das ondas gravitacionais estocásticas.”
Este trabalho foi financiado pelo programa “Tecnologias Quânticas para Física Fundamental” do STFC do Reino Unido (números de subvenção ST/T006404/1, ST/W006308/1 e ST/Y004493/1) e pelo Leverhulme Trust sob a bolsa de pesquisa ECF-2041-2042.
