Cientistas observam efeito da gravidade de Einstein no mundo 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 continua compatível com a mecânica quântica nas condições testadas.

A pesquisa foi realizada 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.

O resultado é importante porque a física moderna é sustentada por duas estruturas extremamente bem-sucedidas, mas que ainda não foram completamente unificadas: a mecânica quântica, que descreve o comportamento de átomos e outras partículas muito pequenas, e a teoria de Einstein, que explica a gravidade, a queda dos corpos e a estrutura do Universo em grande escala.

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

Como o experimento funcionou

• Para realizar o teste, os pesquisadores construíram um equipamento chamado Interferômetro Quântico de Galileu. O dispositivo permitiu dividir a onda quântica associada a um átomo em dois caminhos diferentes;
• Uma das partes da onda foi mantida praticamente parada em relação ao laboratório e à Terra, enquanto a outra foi deixada cair livremente sob a ação da gravidade. Depois, os dois caminhos foram reunidos para que os pesquisadores pudessem medir a pequena diferença acumulada durante o movimento;
• O experimento utilizou nuvens de átomos de rubídio resfriados a temperaturas próximas do zero absoluto. Os átomos foram manipulados nas proximidades da superfície de um chip especialmente desenvolvido para o experimento;
• Primeiro, pulsos de micro-ondas colocaram os átomos em uma superposição quântica, permitindo que cada um deles seguisse efetivamente dois caminhos ao mesmo tempo;
• Pequenos fios elétricos instalados no chip produziram campos magnéticos cuidadosamente controlados. Uma das partes da onda atômica interagiu com esse campo, gerando uma força para cima capaz de equilibrar precisamente a ação da gravidade. Essa parte permaneceu estacionária em relação ao laboratório;
• A outra parte recebeu um pulso magnético controlado e passou a ficar praticamente livre da influência do campo magnético. Com isso, ela pôde se mover sob a ação da gravidade em uma trajetória semelhante à de uma bola lançada para o alto;
• Depois da queda, outro pulso magnético reuniu as duas partes da onda. A interferência entre elas permitiu medir uma diferença extremamente pequena na fase quântica acumulada enquanto uma parte caía e a outra permanecia parada.

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Resultado bateu com previsão de Einstein

A fase quântica medida no experimento coincidiu com a previsão obtida quando o princípio da equivalência de Einstein é aplicado a esse tipo de onda quântica.

O princípio da equivalência estabelece, de forma simplificada, que a gravidade deve desaparecer localmente para um observador em queda livre. É o que explica, por exemplo, a sensação de ausência de peso de uma pessoa dentro de um elevador em queda livre.

Esse princípio já foi confirmado com enorme precisão usando matéria comum. O desafio era testá-lo diretamente em objetos quânticos, que podem apresentar comportamento ondulatório e seguir mais de um caminho simultaneamente.

Segundo os pesquisadores, experimentos anteriores já haviam utilizado partículas quânticas para medir a gravidade. O diferencial do novo trabalho é ter realizado 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, destacou que o experimento levou a mecânica quântica a uma das suas fronteiras mais intrigantes.

Descoberta não prova que a gravidade é quântica

Apesar da importância do resultado, os próprios pesquisadores fazem questão de estabelecer os limites da descoberta.

O experimento não produziu uma teoria unificada da mecânica quântica e da gravidade e também não demonstrou que a gravidade em si seja quântica. O que os pesquisadores mostraram é que o princípio da equivalência de Einstein permanece compatível com a mecânica quântica dentro da faixa de condições investigada.

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

O experimento atual não envolveu objetos com massa suficiente nem superposições duradouras o bastante para testar essa possibilidade.

Ainda assim, a equipe pretende ampliar a técnica para objetos mais pesados, incluindo nanodiamantes. Experimentos com esse objetivo já estão em andamento no 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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