Desde que Einstein propôs sua teoria da relatividade especial, em 1905, a física e a cosmologia foram baseadas na suposição de que o espaço parece o mesmo em todas as direções – que não é espremido em uma direção em relação à outra¹.
Uma nova experiência feita pela Universidade da California, Berkeley, os físicos usaram átomos parcialmente emaranhados – idênticos aos qubits de um computador quântico – demonstraram de forma mais precisa do que nunca que isso é verdade, com precisão de uma parte em um bilhão de bilhões.
O experimento clássico que inspirou Albert Einstein foi realizado em Cleveland por Albert Michelson e Edward Morley em 1887 e refutaram a existência de um “éter” que permeia o espaço por onde a luz se propagaria como uma onda através da água. O que também se mostrou, disse Hartmut Häffner, professor assistente de física de Berkeley, é que o espaço é isotrópico e que a luz viaja na mesma velocidade para cima, para baixo e para os lados.
“Michelson e Morley provaram que o espaço não é espremido”, disse Häffner. “Esta isotropia é fundamental para toda a física, incluindo o Modelo Padrão da física de partículas e da cosmologia. Se você tirar a isotropia, todo o Modelo Padrão entrará em colapso. É por isso que as pessoas estão interessadas em testar isso”.
O Modelo Padrão da física de partículas descreve como todas as partículas fundamentais interagem, e exige a invariância de todas as partículas e campos sob transformações de Lorentz, e em particular, que eles tenham as mesmas propriedades, não importando a direção de propagação.
Häffner e sua equipe realizaram um experimento análogo à experiência de Michelson-Morley, mas com os elétrons em vez de fótons de luz. Em uma câmara de vácuo, ele e seus colegas isolaram dois íons de cálcio, emaranhando-os parcialmente como em um computador quântico, e depois monitoraram as energias de elétrons nos íons de acordo como a Terra girava ao longo de 24 horas.
Se o espaço for espremido em uma ou mais direcções, a energia dos eletrons mudaria em um período de 12 horas. Ao invés disso, mostrou que o espaço é, de facto, isotrópico a uma parte em um bilhão de bilhões (10^18), 100 vezes melhor do que as experiências anteriores envolvendo elétrons, e cinco vezes melhor do que experimentos como Michelson e Morley de que usaram a luz.
Os resultados podem refutar pelo menos uma teoria que se estende além do Modelo Padrão, assumindo a anisotropia do espaço, disse ele.
Häffner e seus colegas, incluindo ex-alunos formados na Thaned Pruttivarasin, hoje no Laboratório de Metrologia Quântica em Saitama, Japão, irão relatar suas descobertas em 29 de janeiro na edição da revista Nature.
Qbits emaranhados
Häffner surgiu com a idéia de usar íons emaranhados para testar a isotropia do espaço enquanto construia de computadores quânticos, que envolvem o uso de átomos ionizados como bits quânticos, ou qubits, emaranhando as funções de onda dos elétronn, e forçá-los a evoluir para fazer cálculos impossíveis com os computadores digitais de hoje. Ocorreu-lhe que dois qubits entrelaçados poderiam servir como detectores sensíveis de pequenas perturbações no espaço.
Ele espera fazer detectores de computadores quânticos mais sensíveis, por meio de outros íons, como o itérbio, para ganhar um novo aumento de 10.000 vezes na medição de precisão da simetria de Lorentz. Ele também está explorando com futuros colegas experiências para detectar as distorções espaciais causados pelos efeitos de partículas de matéria escura, que são um completo mistério, apesar compor 27 por cento do conteúdo do universo.
“Pela primeira vez temos utilizado ferramentas de informação quântica para realizar um teste de simetrias fundamentais, isto é, que projetou um estado quântico que é imune ao ruído predominante, mas sensível aos efeitos da violação da simetria de Lorentz”, disse Häffner. “Ficamos surpresos o experimento funcionou, e agora temos um novo método fantástico na mão, que pode ser utilizado para fazer medições muito precisas de perturbações do espaço.”
N.T.
¹ A essa propriedade só denomina isotropia.
Mais informações: Michelson-Morley analogue for electrons using trapped ions to test Lorentz symmetry, DOI: 10.1038/nature14091
Traduzido de http://phys.org/news/2015-01-quantum-detector-space.html
