Tecnologia Científica

O que sobe deve… ser quântico?
Yale desempenhará um papel fundamental em um novo experimento que vai direto ao cerne de uma força fundamental no universo.
Por Jim Shelton - 22/01/2024


David Moore trabalhando com alunos do programa Pathways to Science para construir espectrômetros de CD no Wright Lab. (Laboratório Yale Wright/Fotografia de Karen King)

Um novo experimento testará a noção de que a gravidade, uma das forças fundamentais do mundo físico, depende da física quântica para funcionar.

Se assim for, indicaria ainda mais a centralidade da mecânica quântica no universo e começaria a explicar os fundamentos até então desconhecidos de um fenômeno natural tão omnipresente que a maioria das pessoas considera a sua existência garantida.

David Moore de Yale , professor associado de física na Faculdade de Artes e Ciências, faz parte de uma equipe de pesquisa internacional que conduzirá o experimento, chamado “Superposições macroscópicas para testemunhar a natureza quântica da gravidade”, ou MAST-QG. O projeto de cinco anos, financiado pela Fundação Gordon e Betty Moore e pela Fundação Alfred P. Sloan, visa lançar as bases para o experimento.

O MAST-QG tentará vincular duas descrições fundamentais do universo. A relatividade geral, que é a teoria de Einstein de que a gravidade é criada por objetos com massa que curvam ou deformam o espaço ao seu redor, é notoriamente incompatível com a mecânica quântica, que explora o comportamento estranho de átomos e partículas.

Medir as fracas interações gravitacionais entre partículas da mecânica quântica era anteriormente impossível devido às suas pequenas massas.

Moore, membro do Wright Lab de Yale , trabalhará com pesquisadores da University College London, da University of Warwick na Inglaterra, da Northwestern University e da University of Groningen na Holanda, para desenvolver o experimento. O investigador principal é Gavin Morley, da Universidade de Warwick.

Conversamos recentemente com Moore para discutir o experimento e como ele provavelmente funcionará.

É surpreendente para você que ainda não saibamos se a gravidade é um fenômeno quântico?
David Moore: A gravidade é essa força que parece ser a força mais aparente em nossa vida cotidiana, mas é um mistério completo. É embaraçoso dizer, realmente. Apesar de a estudarmos há centenas de anos, não entendemos a gravidade em nível microscópico com nenhum detalhe.

Temos esta bela teoria sobre como funciona a gravidade em distâncias astrofísicas, graças à teoria da relatividade de Einstein. Mas também sabemos que isso não funciona quando aplicamos a mesma teoria à mecânica quântica e às partículas que constituem o universo. Por que? Para muitos de nós da física, essa é apenas uma questão interessante para tentar responder.

Sabemos como a mecânica quântica influencia outras forças fundamentais, como o eletromagnetismo e a força nuclear “forte”?
Moore : Sim, aprendemos muito sobre todas as outras forças fundamentais - todas menos a gravidade, aquela sobre a qual conhecemos há mais tempo. É a única força que não se enquadra na nossa imagem quântica do mundo.

O que torna a gravidade diferente nesse aspecto?
Moore : A gravidade é incrivelmente fraca em comparação com todas as outras forças fundamentais. Por exemplo, a força de atração entre o elétron e o protão no átomo de hidrogênio, devido à sua carga elétrica, é quase 40 ordens de grandeza – 10 mil biliões de biliões de biliões de vezes – mais forte que a gravidade. As outras três forças fundamentais que governam o universo – o eletromagnetismo e as forças nucleares forte e fraca – estão todas muito mais próximas na sua força intrínseca. A fraqueza da gravidade é em si um grande quebra-cabeça, mas também torna os experimentos extremamente desafiadores.

A única razão pela qual sabemos alguma coisa sobre a gravidade é porque temos um planeta inteiro puxando a gravidade sobre nós. Só os átomos dos nossos sapatos são suficientes para nos manter contra o planeta inteiro. É bastante impressionante.

Mas nunca fomos capazes de colocar objetos grandes, aqueles objetos que podemos ver no mundo visível, num estado quântico e testemunhar o comportamento da gravidade nessa escala minúscula. Então essa é precisamente a ideia do nosso experimento. Vamos colocar alguns dos maiores objetos de todos os tempos em um estado quântico e tentar ver sua gravidade.

Quais são esses objetos?
Moore : Eles são chamados de microdiamantes. Há uma impureza muito especial, do tamanho de um átomo, nos diamantes, chamada “centro de vacância de nitrogênio”, na qual falta um dos átomos do diamante e um átomo de nitrogênio está próximo a essa vacância. Esse estranho tipo de impureza atua como um sistema quântico quase perfeito, que podemos incorporar em um cristal de diamante com um quinquagésimo da largura de um fio de cabelo.

Queremos pegar os microdiamantes e prendê-los em um laser que os fará levitar no centro de uma câmara de vácuo. Temos tecnologia que pode “conversar” com a parte quântica do diamante e usá-la como uma alça para manipular a massa de todo o diamante para ver os efeitos da gravidade.

Qual é o papel de Yale no projeto?
Moore : Temos armadilhas para essas micropartículas aqui em Yale, no Wright Lab. Normalmente os usamos para vidro, não para diamantes. Nosso laboratório realizou a busca mais sensível do mundo por partículas de matéria escura que poderiam ter uma pequena carga elétrica – um milionésimo da carga de um elétron. Podemos controlar o número exato de elétrons e prótons em uma esfera mantida dentro da armadilha. Esse é exatamente o tipo de coisa que queremos fazer com este experimento gravitacional.

O que pode impedir você de obter uma medição quântica da gravidade?
Moore : Temos que eliminar todas as interações além da gravidade. A gravidade é tão fraca que se você tiver pelo menos um elétron extra neste diamante, além da força gravitacional, você nunca terá nenhuma chance de ver o emaranhado gravitacional. Estamos trabalhando duro não apenas para criar esses minúsculos sistemas quânticos, mas também para impedir a entrada de todas as outras forças.

Existe algum aspecto desta pesquisa que o atraiu pessoalmente?

Moore : Na verdade, trata-se apenas de tentar entender como o mundo funciona. É como perguntar a um artista por que ele faz arte. Muitos de nós estamos muito interessados em conhecer os blocos de construção fundamentais do universo. Como eles trabalham juntos? É uma questão suficientemente importante para que, se pudéssemos aprender alguma coisa durante a minha vida, seria emocionante para muitos de nós.

 

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