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Físicos embarcam em uma busca por um brilho quântico há muito procurado
Pesquisadores do MIT e da Universidade de Waterloo acreditam ter encontrado uma maneira de aumentar significativamente a probabilidade de observar o efeito Unruh, que detalham em um estudo publicado na Physical Review Letters .
Por Jennifer Chu - 26/04/2022


De acordo com uma previsão conhecida como efeito Unruh, os pilotos do Millenium Falcon provavelmente veriam um brilho quente ao pularem para o hiperespaço. Crédito: Christine Daniloff, MIT

Para os fãs de "Guerra nas Estrelas", as estrelas listradas vistas do cockpit da Millennium Falcon enquanto ela salta para o hiperespaço é uma imagem canônica. Mas o que um piloto realmente veria se pudesse acelerar em um instante através do vácuo do espaço? De acordo com uma previsão conhecida como efeito Unruh, ela provavelmente veria um brilho quente.

Desde a década de 1970, quando foi proposto pela primeira vez, o efeito Unruh iludiu a detecção, principalmente porque a probabilidade de ver o efeito é infinitesimalmente pequena, exigindo enormes acelerações ou grandes quantidades de tempo de observação. Mas pesquisadores do MIT e da Universidade de Waterloo acreditam ter encontrado uma maneira de aumentar significativamente a probabilidade de observar o efeito Unruh, que detalham em um estudo publicado na Physical Review Letters .

Em vez de observar o efeito espontaneamente como outros tentaram no passado, a equipe propõe estimular o fenômeno, de uma maneira muito particular que aumenta o efeito Unruh enquanto suprime outros efeitos concorrentes. Os pesquisadores comparam sua ideia a lançar uma capa de invisibilidade sobre outros fenômenos convencionais, o que deve revelar o efeito Unruh muito menos óbvio.

Se puder ser realizado em um experimento prático, essa nova abordagem estimulada, com uma camada adicional de invisibilidade (ou "transparência induzida por aceleração", conforme descrito no artigo) poderia aumentar muito a probabilidade de observar o efeito Unruh. Em vez de esperar mais do que a idade do universo para uma partícula em aceleração produzir um brilho quente como prevê o efeito Unruh, a abordagem da equipe reduziria esse tempo de espera para algumas horas.

“Agora, pelo menos, sabemos que há uma chance em nossas vidas de realmente vermos esse efeito”, diz o coautor do estudo Vivishek Sudhir, professor assistente de engenharia mecânica do MIT, que está projetando um experimento para capturar o efeito com base na teoria do grupo. “É um experimento difícil e não há garantia de que seremos capazes de fazê-lo, mas essa ideia é nossa esperança mais próxima”.

Os coautores do estudo também incluem Barbara Šoda e Achim Kempf, da Universidade de Waterloo.

Fechar conexão

O efeito Unruh também é conhecido como efeito Fulling-Davies-Unruh, em homenagem aos três físicos que o propuseram inicialmente. A previsão afirma que um corpo que está acelerando no vácuo deve de fato sentir a presença de radiação quente puramente como um efeito da aceleração do corpo. Esse efeito tem a ver com interações quânticas entre matéria acelerada e flutuações quânticas no vácuo do espaço vazio.
 
Para produzir um brilho quente o suficiente para ser medido pelos detectores, um corpo como um átomo teria que acelerar até a velocidade da luz em menos de um milionésimo de segundo. Tal aceleração seria equivalente a uma força G de um quatrilhão de metros por segundo ao quadrado (um piloto de caça normalmente experimenta uma força G de 10 metros por segundo ao quadrado).

“Para ver esse efeito em um curto período de tempo, você teria que ter uma aceleração incrível”, diz Sudhir. "Se você tivesse alguma aceleração razoável, teria que esperar uma quantidade enorme de tempo - mais do que a idade do universo - para ver um efeito mensurável."

Qual seria, então, o ponto? Por um lado, ele diz que observar o efeito Unruh seria uma validação das interações quânticas fundamentais entre matéria e luz. E por outro, a detecção pode representar um espelho do efeito Hawking – uma proposta do físico Stephen Hawking que prevê um brilho térmico semelhante, ou "radiação Hawking", a partir de interações de luz e matéria em um campo gravitacional extremo, como em torno de um buraco negro.

"Há uma estreita conexão entre o efeito Hawking e o efeito Unruh - eles são exatamente o efeito complementar um do outro", diz Sudhir, que acrescenta que, se alguém observasse o efeito Unruh, "teria observado um mecanismo que é comum a ambos os efeitos."

Uma trajetória transparente

Prevê-se que o efeito Unruh ocorra espontaneamente no vácuo. De acordo com a teoria quântica de campos , um vácuo não é simplesmente um espaço vazio, mas sim um campo de flutuações quânticas inquietas , com cada banda de frequência medindo aproximadamente o tamanho de meio fóton. Unruh previu que um corpo acelerando no vácuo deve amplificar essas flutuações, de uma forma que produz um brilho quente e térmico de partículas.

Em seu estudo, os pesquisadores introduziram uma nova abordagem para aumentar a probabilidade do efeito Unruh, adicionando luz a todo o cenário – uma abordagem conhecida como estimulação.

“Quando você adiciona fótons ao campo, está adicionando 'n' vezes mais dessas flutuações do que esse meio fóton que está no vácuo”, explica Sudhir. "Então, se você acelerar por esse novo estado do campo, esperaria ver efeitos que também escalam 'n' vezes o que você veria apenas no vácuo".

No entanto, além do efeito quântico Unruh, os fótons adicionais também amplificariam outros efeitos no vácuo – uma grande desvantagem que impediu que outros caçadores do efeito Unruh adotassem a abordagem de estimulação.

Šoda, Sudhir e Kempf, no entanto, encontraram uma solução alternativa, por meio de "transparência induzida por aceleração", um conceito que eles introduziram no artigo. Eles mostraram teoricamente que, se um corpo como um átomo pudesse acelerar com uma trajetória muito específica através de um campo de fótons, o átomo interagiria com o campo de tal forma que fótons de uma certa frequência pareceriam essencialmente invisíveis ao átomo.

“Quando estimulamos o efeito Unruh, ao mesmo tempo também estimulamos os efeitos convencionais ou ressonantes, mas mostramos que, ao projetar a trajetória da partícula, podemos essencialmente desativar esses efeitos”, diz Šoda.

Ao tornar todos os outros efeitos transparentes, os pesquisadores poderiam ter uma chance melhor de medir os fótons , ou a radiação térmica proveniente apenas do efeito Unruh, como os físicos previram.

Os pesquisadores já têm algumas ideias de como projetar um experimento com base em suas hipóteses. Eles planejam construir um acelerador de partículas do tamanho de um laboratório capaz de acelerar um elétron para perto da velocidade da luz, que eles então estimulariam usando um feixe de laser em comprimentos de onda de micro-ondas. Eles estão procurando maneiras de projetar o caminho do elétron para suprimir os efeitos clássicos, enquanto amplificam o indescritível efeito Unruh.

"Agora temos esse mecanismo que parece amplificar estatisticamente esse efeito por meio de estimulação", diz Sudhir. "Dada a história de 40 anos desse problema, agora, teoricamente, corrigimos o maior gargalo."

 

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