Físicos propõem experimento para testar a existência da gravidade quântica

Experimento recentemente proposto poderia confirmar se a gravidade é uma força quântica.

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Dois microdiamantes seriam usados para testar a natureza quântica da gravidade. Crédito: Olena Shmahalo / Quanta Magazine.

Por Natalie Wolchover
Publicado na Quanta Magazine

Em 1935, quando tanto a mecânica quântica quanto a teoria geral da relatividade de Albert Einstein eram jovens, um físico soviético pouco conhecido chamado Matvei Bronstein, apenas com 28 anos, fez o primeiro estudo detalhado do problema de conciliar os dois numa teoria quântica da gravidade. Essa “teoria possível do mundo como um todo”, como Bronstein a chamava, suplantaria a descrição clássica da gravidade de Einstein, que a define como curvas no contínuo espaço-temporal e a reescreve na mesma linguagem quântica que o resto da física.

Bronstein descobriu como descrever a gravidade em termos de partículas quantificadas, agora chamadas de grávitons, mas apenas quando a força da gravidade é fraca – isto é, na relatividade geral, quando o tecido espaço-tempo é tão fracamente curvado que quase se aproxima a um plano. Quando a gravidade é forte, “a situação é bem diferente”, escreveu ele. “Sem uma revisão profunda das noções clássicas, parece difícil estender a teoria quântica da gravidade também a esse domínio.”

Suas palavras foram proféticas. Oitenta e três anos depois, os físicos ainda estão tentando entender como a curvatura do espaço-tempo emerge nas escalas macroscópicas a partir de um quadro de gravidade mais presumivelmente quântico; é indiscutivelmente a questão mais profunda da física. Talvez, dada a chance, o Bronstein espertinho pudesse ter ajudado a acelerar as coisas. Além da gravidade quântica, ele contribuiu para astrofísica e cosmologia, teoria de semicondutores e eletrodinâmica quântica, e também escreveu vários livros de ciência para crianças, antes de ser pego no Grande Expurgo de Stalin e executado em 1938, aos 31 anos de idade.

O físico teórico soviético Matvei Petrovich Bronstein (1906-1938), pioneiro da pesquisa da gravidade quântica cujo trabalho permanece em grande parte desconhecido no Ocidente.

A busca pela teoria completa da gravidade quântica foi frustrada pelo fato de que as propriedades quânticas da gravidade nunca parecem se manifestar na experiência real. Os físicos nunca conseguem ver como a descrição de Einstein do contínuo espaço-tempo, ou a aproximação quântica de Bronstein quando ele está fracamente curvado, dá errado.

O problema é a extrema fraqueza da gravidade. Enquanto as partículas quantizadas que transmitem as forças forte, fraca e eletromagnética, são tão poderosas que ligam a matéria aos átomos e podem ser estudadas em experimentos de mesa, os grávitons são individualmente tão fracos que os laboratórios não têm a menor esperança de detectá-los. Para detectar um gráviton com alta probabilidade, um detector de partículas teria que ser tão grande e massivo que colapsaria em um buraco negro. Essa fraqueza é o motivo pelo qual é necessária uma acumulação astronômica de massa para influenciar gravitacionalmente outros corpos massivos, e por que vemos apenas a gravidade gravada em grande escala.

Não apenas isso, mas o universo parece ser governado por um tipo de censura cósmica: regiões de extrema gravidade – onde o espaço-tempo curva tão acentuadamente que as equações de Einstein funcionam mal e a verdadeira natureza quântica da gravidade e do espaço-tempo deve ser revelada – sempre se escondem por trás dos horizontes dos buracos negros.

“Até alguns anos atrás, era consenso que, muito provavelmente, não é nem de longe possível medir a quantificação do campo gravitacional”, disse Igor Pikovski, físico teórico da Universidade de Harvard.

Agora, um par de artigos publicados recentemente na Physical Review Letters mudou o cálculo. Os periódicos afirmam que é possível acessar a gravidade quântica – apesar de não aprender nada sobre isso. Os documentos, escritos por Sougato Bose na University College London e nove colaboradores e por Chiara Marletto e Vlatko Vedral na Universidade de Oxford, propõem um experimento de mesa tecnicamente desafiador, mas viável, que poderia confirmar se a gravidade é uma força quântica como todas as outras sem nunca detectar um gráviton. Miles Blencowe, físico quântico do Dartmouth College que não esteve envolvido no trabalho, disse que o experimento detectaria um sinal claro de gravidade quântica invisível – o “sorriso do gato de Cheshire”.

Um microdiamante em levitação (ponto verde) no laboratório de Gavin Morley na Universidade de Warwick, na frente da lente usada para prender o diamante com luz. Crédito: Gavin W Morley.

O experimento proposto determinará se dois objetos – o grupo de Bose planeja usar um par de microdiamantes – podem se tornar emaranhados através de sua atração gravitacional mútua. Emaranhamento é um fenômeno quântico em que as partículas se tornam inseparavelmente entrelaçadas, compartilhando uma única descrição física que especifica seus possíveis estados combinados (a coexistência de diferentes estados possíveis, chamada de “superposição”, é a marca dos sistemas quânticos). Por exemplo, um par de partículas emaranhadas pode existir em uma superposição na qual há 50% de chance de que o “spin” da partícula A aponta para cima e os pontos de B para baixo, e uma chance de 50% do reverso. Não se pode dizer antecipadamente qual será o resultado obtido ao medir as direções de rotação das partículas, mas você pode ter certeza de que elas apontarão caminhos opostos.

Os autores argumentam que os dois objetos em seu experimento proposto podem se emaranhar um com o outro dessa maneira apenas se a força que age entre eles – neste caso, gravidade – for uma interação quântica, mediada por grávitons que podem manter superposições quânticas. “Se você pode fazer o experimento e se envolver, então, de acordo com esses documentos, você tem que concluir que a gravidade é quantizada”, explicou Blencowe.

Para emaranhar um diamante

A gravidade quântica é tão imperceptível que alguns pesquisadores questionam se ela existe. O venerável físico matemático Freeman Dyson, 94, argumenta desde 2001 que o universo poderia sustentar uma espécie de descrição “dualista”, onde “o campo gravitacional descrito pela teoria da relatividade geral de Einstein é um campo puramente clássico sem qualquer comportamento quântico”, ele escreveu aquele ano na The New York Review of Books, embora toda a matéria dentro desse contínuo espaço-temporal seja quantizada em partículas que obedecem a regras probabilísticas.

Dyson, que ajudou a desenvolver a eletrodinâmica quântica (a teoria das interações entre matéria e luz) e é professor emérito do Instituto de Estudos Avançados em Princeton, New Jersey, onde ele se sobrepôs a Einstein, discorda do argumento de que a gravidade quântica é necessária para descrever os interiores inacessíveis dos buracos negros. E ele se pergunta se a detecção do hipotético gráviton pode ser impossível, mesmo em princípio. Nesse caso, argumenta ele, a gravidade quântica é metafísica, e não física.

Ele não é o único cético. O renomado físico britânico Sir Roger Penrose e, de forma independente, o pesquisador húngaro Lajos Diósi, supuseram que o espaço-tempo não pode manter superposições. Eles argumentam que sua natureza suave, sólida e fundamentalmente clássica impede que ela se curve de duas formas possíveis diferentes ao mesmo tempo – e que sua rigidez é exatamente o que faz com que as superposições de sistemas quânticos como elétrons e fótons entrem em colapso. Essa “decoerência gravitacional”, na visão deles, dá origem à realidade clássica única, sólida como rocha, experimentada em escalas macroscópicas.

A capacidade de detectar o “sorriso” da gravidade quântica parece refutar o argumento de Dyson. Também mataria a teoria da decoerência gravitacional, mostrando que a gravidade e o espaço-tempo mantêm superposições quânticas.

As propostas de Bose e Marletto apareceram simultaneamente em grande parte por acaso, embora especialistas tenham dito que refletem o espírito da época. Laboratórios experimentais de física quântica em todo o mundo estão colocando objetos microscópicos cada vez maiores em superposições quânticas e simplificando protocolos para testar se dois sistemas quânticos estão emaranhados. O experimento proposto terá que combinar esses procedimentos, exigindo novas melhorias de escala e sensibilidade; pode levar uma década ou mais para conseguir isso. “Mas não há barreiras físicas”, disse Pikovski, que também estuda como experimentos de laboratório podem investigar fenômenos gravitacionais. “Acho que é um desafio, mas não acho que seja impossível.”

Sougato Bose, físico da University College London, lidera uma equipe de pesquisadores que planeja acessar experimentalmente a gravidade quântica. Crédito: Cortesia de Sougato Bose.

O plano é apresentado em maior detalhe no artigo de Bose e coautores – um elenco de especialistas do Ocean’s Eleven para diferentes etapas da proposta. Em seu laboratório na Universidade de Warwick, por exemplo, o coautor Gavin Morley está trabalhando no primeiro passo, tentando colocar um micro-diamante em uma superposição quântica de dois locais. Para fazer isso, ele incorpora um átomo de nitrogênio no microdiamante, próximo a um espaço na estrutura do diamante, e o libera com um pulso de microondas. Um elétron em órbita do sistema de vácuo de nitrogênio absorve e não absorve a luz, e o sistema entra em uma superposição quântica de duas direções de giro – para cima e para baixo – como um pião que tem alguma probabilidade de girar no sentido horário e alguma chance de girar no sentido anti-horário. O microdiamante, carregado com este giro sobreposto, é submetido a um campo magnético, o que faz com que os giros para cima se movam para a esquerda enquanto os giros para baixo girem para a direita. O próprio diamante, portanto, se divide em uma superposição de duas trajetórias.

No experimento completo, os pesquisadores devem fazer tudo isso para dois diamantes – um azul e um vermelho, por exemplo – suspensos próximos um ao outro dentro de um vácuo ultrafrio. Quando a armadilha que os prende for desligada, os dois microdiamantes, cada um em uma superposição de dois locais, cairão verticalmente através do vácuo. Quando eles caírem, os diamantes sentirão a gravidade um do outro. Mas quão forte será a atração gravitacional deles?

Se a gravidade é uma interação quântica, então a resposta é: depende. Cada componente da superposição do diamante azul experimentará uma atração gravitacional mais forte ou mais fraca para o diamante vermelho, dependendo se este último será parte da superposição que está mais perto ou mais distante. E a gravidade sentida por cada componente da superposição do diamante vermelho depende da localização do diamante azul.

Em cada caso, os diferentes graus de atração gravitacional afetam os componentes em evolução das superposições dos diamantes. Os dois diamantes se tornam interdependentes, o que significa que seus estados só podem ser especificados em combinação, de modo que, no final, as direções de rotação de seus dois sistemas de vazão de nitrogênio serão correlacionadas.

Crédito: Lucy Reading-Ikkanda/Quanta Magazine.

Depois que os microdiamantes caírem lado a lado por cerca de três segundos – tempo suficiente para ficarem presos à gravidade um do outro – eles então passarão por outro campo magnético que reunirá as partes de cada superposição. O último passo do experimento é um protocolo de “testemunho de emaranhamento” desenvolvido pela física holandesa Barbara Terhal e outros: os diamantes azul e vermelho entrarão em dispositivos separados que medirão as direções de rotação de seus sistemas de nitrogênio-vácuo (a medição fará com que as superposições colapsem em estados definidos). Os dois resultados serão comparados. Executando o experimento repetidas vezes e comparando muitos pares de medições de spin, os pesquisadores poderão determinar se os spins dos dois sistemas quânticos estão correlacionados uns com os outros com mais frequência do que um limite superior conhecido para objetos que não são entrelaçados mecanicamente. Nesse caso, segue-se que a gravidade envolve os diamantes e pode sustentar superposições.

“O que é bonito sobre os argumentos é que você não precisa realmente saber o que é especificamente a teoria quântica”, disse Blencowe. “Tudo o que você tem a dizer é que tem que haver algum aspecto quântico nesse campo que medeie a força entre as duas partículas.”

Desafios técnicos são abundantes. O maior objeto que foi colocado em uma superposição de dois locais antes é uma molécula de 800 átomos. Cada microdiamante contém mais de 100 bilhões de átomos de carbono – o suficiente para reunir força gravitacional. Emergir seu caráter mecânico-quântico exigirá temperaturas mais frias, um vácuo maior e um controle mais refinado. “Grande parte do trabalho está colocando essa superposição inicial em funcionamento”, disse Peter Barker, membro da equipe experimental da UCL que está aprimorando os métodos de resfriamento a laser e captura de microdiamantes. Se isso pode ser feito com um diamante, acrescentou Bose, “então dois não fazem muita diferença”.

Por que a gravidade é única?

Pesquisadores da gravidade quântica não duvidam que a gravidade seja uma interação quântica, capaz de induzir emaranhamento. Certamente, a gravidade é especial em alguns aspectos, e há muito a descobrir sobre a origem do espaço e do tempo, mas a mecânica quântica deve estar envolvida, dizem eles. “Realmente não faz muito sentido tentar ter uma teoria em que parte da física é quântica e a gravidade é clássica”, disse Daniel Harlow, pesquisador de gravidade quântica do Instituto de Tecnologia de Massachusetts. Os argumentos teóricos contra modelos quânticos e clássicos mistos são fortes (embora não conclusivos).

Por outro lado, os teóricos estavam errados antes, Harlow observou: “Então, se você puder checar, por que não? Se isso calar essas pessoas” – ou seja, pessoas que questionam a gravidade quântica – “isso é ótimo”.

Dyson escreveu em um e-mail, depois de ler os artigos da PRL, que “o experimento proposto é certamente de grande interesse e vale a pena ser realizado com sistemas quânticos reais”. No entanto, ele disse que a maneira como os autores pensam os campos quânticos difere da dele. “Não está claro para mim se [o experimento] resolveria a questão se a gravidade quântica existe”, escreveu ele. “A pergunta que tenho feito, se um único graviton é observável, é uma questão diferente e pode ter uma resposta diferente”.

Chiara Marletto, física quântica da Universidade de Oxford, propôs uma maneira indireta de confirmar que a gravidade é uma força quântica. Crédito: Cortesia de Chiara Marletto.

Na verdade, a maneira como Bose, Marletto e seus coautores pensam sobre a gravidade quantificada deriva de como Bronstein a concebeu em 1935 (Dyson chamou o artigo de Bronstein de “um belo trabalho” que ele não havia visto antes). Bronstein mostrou que a gravidade fraca produzida por uma massa pequena pode ser aproximada pela lei da gravidade de Newton (essa é a força que atua entre as superposições de microdiamantes). De acordo com Blencowe, os cálculos de baixa gravidade quantizada não foram muito desenvolvidos, apesar de possivelmente serem mais fisicamente relevantes do que a física dos buracos negros ou do Big Bang. Ele espera que a nova proposta experimental estimule os teóricos a descobrir se há alguma correção sutil na aproximação newtoniana que futuros experimentos de mesa possam ser capazes de investigar.

Leonard Susskind, um proeminente teórico da gravidade quântica e das cordas da Universidade de Stanford, viu valor em realizar o experimento proposto porque “fornece uma observação da gravidade em uma nova gama de massas e distâncias”. Mas ele e outros pesquisadores enfatizaram que os microdiamantes não podem revelar qualquer coisa sobre a teoria completa da gravidade quântica ou espaço-tempo. Ele e seus colegas querem entender o que acontece no centro de um buraco negro e no momento do Big Bang.

Talvez uma pista sobre por que é tão difícil quantificar a gravidade é que outros campos de força na natureza exibem uma característica chamada “localidade”: as partículas quânticas em uma região do campo (fótons no campo eletromagnético, por exemplo) “são independentes das entidades físicas em outra região do espaço”, disse Mark Van Raamsdonk, teórico da gravidade quântica da Universidade da Columbia Britânica. Mas “há pelo menos um monte de evidências teóricas de que não é assim que a gravidade funciona”.

Nos melhores modelos da gravidade quântica (que têm geometrias espaço-temporais mais simples que as do universo real), não é possível supor que o tecido espaço-tempo curvado se subdivide em peças 3-D independentes, Van Raamsdonk disse. Em vez disso, a teoria moderna sugere que os constituintes fundamentais subjacentes do espaço “são organizados mais de uma maneira bidimensional”. O tecido espaço-temporal pode ser como um holograma ou um videogame: “Mesmo que a imagem seja tridimensional , a informação é armazenada em algum chip de computador bidimensional”, disse ele. Nesse caso, o mundo tridimensional é ilusório, no sentido de que diferentes partes dele não são tão independentes. Na analogia do videogame, um punhado de bits armazenados no chip 2-D pode codificar recursos globais do universo do jogo.

A distinção é importante quando você tenta construir uma teoria quântica da gravidade. A abordagem usual para quantizar algo é identificar suas partes independentes – partículas, digamos – e depois aplicar a mecânica quântica a elas. Mas se você não identificar os constituintes corretos, receberá as equações erradas. A quantização direta do espaço 3-D, como Bronstein fez, funciona até certo ponto para a gravidade fraca, mas o método falha quando o espaço-tempo é altamente curvado.

Testemunhar o “sorriso” da gravidade quântica ajudaria a motivar essas linhas abstratas de raciocínio, disseram alguns especialistas. Afinal, mesmo os argumentos teóricos mais sensatos para a existência da gravidade quântica carecem da gravidade dos fatos experimentais. Quando Van Raamsdonk explica sua pesquisa em um colóquio ou conversa, ele geralmente começa dizendo que a gravidade precisa ser reconciliada com a mecânica quântica porque a descrição clássica do espaço-tempo falha para os buracos negros e o Big Bang, e no pensando em experimentos sobre partículas colidindo com altas energias inacessíveis. “Mas se você pudesse fazer esse experimento simples e obter o resultado que mostra que o campo gravitacional estava realmente em uma superposição”, ele disse, então a razão pela qual a descrição clássica é curta seria óbvia: “Porque essa experiência sugere que a gravidade é quântica”.

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