Uma equipe internacional, incluindo o físico vencedor do Prêmio Nobel, Sir Roger Penrose, observou diretamente pela primeira vez um efeito gravitacional há muito previsto em um objeto quântico em queda. A descoberta mostra que um princípio central da teoria da gravidade de Einstein concorda com o comportamento quântico nas condições testadas. A pesquisa, liderada pela Universidade Ben-Gurion do Negev, pela Universidade de Ulm e pela Universidade de Oxford, foi publicada em 2 de setembro. avanço da ciência.
A física moderna baseia-se em duas estruturas notavelmente bem-sucedidas. A mecânica quântica descreve o comportamento incomum de átomos e outros objetos extremamente pequenos, enquanto a teoria da gravitação de Einstein explica a queda dos corpos e a estrutura em grande escala do universo. Apesar de seus sucessos individuais, os físicos ainda não possuem uma teoria completa que reúna os dois.
A nova experiência descobre uma região onde estas duas descrições se sobrepõem. Os pesquisadores mediram uma mudança específica nas propriedades quânticas dos átomos à medida que se movem sob a influência da gravidade. O efeito corresponde ao que se prevê que ocorrerá quando o princípio de equivalência de Einstein, um dos fundamentos da sua teoria da gravidade, for estendido a um objecto quântico.
Teste do princípio de equivalência de Einstein
O princípio da equivalência afirma que a gravidade deve efetivamente desaparecer localmente para um observador em queda livre. Por exemplo, uma pessoa caindo livremente em um elevador sentiria falta de peso. A teoria foi confirmada com extraordinária precisão usando matéria comum, mas é mais difícil testá-la diretamente com objetos quânticos porque os objetos quânticos podem se comportar como ondas e seguir efetivamente mais de um caminho ao mesmo tempo.
Para tornar esses testes possíveis, a equipe criou um instrumento chamado Interferômetro Quantum Galileo. O dispositivo permitiu aos pesquisadores dividir uma onda quântica associada a um átomo em dois caminhos separados. Uma parte poderia ser mantida no lugar enquanto a outra caísse livremente. Os dois foram então reunidos para que os pesquisadores pudessem determinar como a gravidade afetou a queda da onda.
O experimento foi conduzido na Universidade Ben-Gurion usando nuvens de átomos de rubídio que foram resfriados a temperaturas logo acima do zero absoluto. Os átomos foram manipulados perto da superfície de um chip atômico especialmente projetado.
Dividindo um átomo em dois caminhos quânticos
A equipe experimental, incluindo o estudante de doutorado Dobkowsky, começou a usar pulsos de micro-ondas para colocar átomos ultrafrios em superposição quântica. Isso efetivamente permitiu que cada átomo seguisse dois caminhos simultaneamente.
Minúsculos fios elétricos embutidos no chip geram um campo magnético cuidadosamente controlado. Uma parte da onda nuclear interagiu com o campo magnético, permitindo aos pesquisadores criar uma força ascendente que equilibrava com precisão a atração descendente da gravidade. Como resultado, essa parte da onda permaneceu estacionária em relação ao laboratório e à Terra.
A outra parte foi empurrada para cima usando um pulso magnético controlado com precisão. Foi então reposicionado para uma posição quase não afetada pelo campo magnético, permitindo-lhe mover-se livremente sob a gravidade, seguindo uma trajetória balística semelhante à de uma bola lançada ao ar.
Assim que o colapso foi concluído, outro pulso magnético cuidadosamente controlado reuniu novamente as duas metades da onda nuclear. As ondas recombinadas interferiram umas nas outras, dando aos investigadores uma forma de medir as diferenças extremamente pequenas na fase quântica que se acumulavam quando uma parte caía e a outra permanecia estacionária.
A gravidade deixa uma assinatura quântica mensurável
A fase quântica medida pelos pesquisadores corresponde à fase prevista quando a teoria de Einstein foi aplicada a esse tipo de onda quântica. Este experimento, portanto, fornece uma conexão laboratorial direta entre a física quântica e a descrição da gravidade de Einstein.
Partículas quânticas foram usadas em experimentos anteriores para medir a gravidade, mas os pesquisadores dizem que esta é a primeira medição direta da fase quântica projetada produzida por um objeto em queda livre.
O autor principal, Professor Ron Folman (Universidade Ben-Gurion do Negev), disse: “Este é um artigo único, no sentido de que combina um experimento difícil com uma explicação teórica de longo alcance, abordando uma das questões mais fundamentais da física: como a gravidade (descrita pela teoria da relatividade de Einstein) e a teoria quântica podem ser integradas na compreensão do universo? Esses dois pilares da física moderna até agora escaparam de todas as tentativas de uma estrutura teórica unificada, mas “Este experimento complexo fornece mais pistas sobre como essa integração pode ser alcançada.”
O coautor do estudo, Professor Vlatko Vedral (Departamento de Física da Universidade de Oxford), disse:”Não temos nenhuma teoria consistente que nos diga por que a física quântica deveria falhar. Este experimento leva a mecânica quântica a um de seus limites mais interessantes, a gravidade, e mostra que, mais uma vez, suas previsões estão corretas. “
O que o experimento faz e o que não mostra
Esta descoberta não fornece uma teoria unificada da mecânica quântica e da gravidade, e não demonstra que a própria gravidade é quântica. Em vez disso, mostra que o princípio da equivalência de Einstein permanece compatível com a mecânica quântica dentro dos limites explorados pela experiência.
Os resultados também não contradizem a ideia proposta pelo professor Sir Roger Penrose (Universidade de Oxford), coautor do estudo. Penrose argumentou que a mecânica quântica pode eventualmente falhar quando objetos suficientemente massivos permanecem em superposição quântica por longos períodos de tempo.
A presente experiência não envolveu objectos suficientemente massivos, ou sobreposições duradouras, para testar essa possibilidade. No entanto, os investigadores esperam que a nova técnica possa eventualmente ser estendida a objetos muito mais pesados, incluindo nanodiamantes. Experimentos destinados a investigar essa possibilidade já estão em andamento pelo mesmo grupo na Universidade Ben-Gurion do Negev.
A equipe de pesquisa internacional incluiu cientistas da Universidade Ben-Gurion do Negev; Universidade de Oxford; Universidade de Southampton; Centro Aeroespacial Alemão, Instituto de Tecnologias Quânticas, Ulm; Universidade Ulm; e Universidade Texas A&M.
