Os Físicos Encontram uma Maneira de Ver o “Sorrir da Gravidade Quântica” (Atualidade)
Uma experiência recentemente proposta confirmaria que a gravidade é uma força quântica.
E m 1935, quando a mecânica quântica e a teoria geral da relatividade de Albert Einstein eram jovens, um físico soviético pouco conhecido chamado Matvei Bronstein, apenas 28 ele mesmo, fez o primeiro estudo detalhado do problema de conciliar as duas em uma teoria quântica da gravidade. Esta “possível teoria do mundo como um todo”, como Bronstein chamou, suplantaria a descrição clássica de Einstein da gravidade, que a molda como curvas no continuo espaço-tempo e reescreva-a na mesma linguagem quântica que o resto da física.
Bronstein descobriu como descrever a gravidade em termos de partículas quantizadas, agora chamadas de gravitons, mas somente quando a força da gravidade é fraca — isto é (na relatividade geral), quando o tecido espaço-tempo é tão fracamente curvado que pode ser aproximadamente plano. Quando a gravidade é forte, “a situação é bastante diferente”, escreveu ele. “Sem uma profunda revisão das noções clássicas, dificilmente é possível estender a teoria quântica da gravidade também a este domínio”.
Suas palavras eram proféticas. Oitenta e três anos depois, os físicos ainda estão tentando entender como a curvatura espaço-tempo emerge nas escalas macroscópicas de uma imagem mais fundamental, presumivelmente quântica da gravidade; É indiscutivelmente a pergunta mais profunda na física. Talvez, dada a chance, Bronstein inteligente poderia ter ajudado a acelerar as coisas. Além da gravidade quântica, ele contribuiu para a astrofísica e a cosmologia, a teoria dos semicondutores e a eletrodinâmica quântica, e ele também escreveu vários livros de ciência para crianças, antes de ser apanhado na Grande Purga de Stalin e executado em 1938, aos 31 anos.
A busca pela teoria completa da gravidade quântica foi bloqueada 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 suave, ou a aproximação quântica de Bronstein quando ele é fracamente curvo, dá errado.
O problema é a extrema fraqueza da gravidade. Enquanto as partículas quantizadas que transmitem as forças fortes, fracas e eletromagnéticas são tão poderosas que ligam a matéria aos átomos e podem ser estudadas em experimentos de mesa, os gravitons são tão fracos que os laboratórios não têm esperança de detectá-los. Para detectar um graviton com alta probabilidade, um detector de partículas teria que ser tão grande e maciço que colapsaria em um buraco negro. Essa fraqueza é a razão pela qual é preciso uma acumulação astronômica de massa para influenciar gravitacionalmente outros corpos maciços, e porque só vemos gravidade forte.
Não só isso, mas o universo parece ser governado por uma espécie de censura cósmica : regiões de extrema gravidade — onde o espaço-tempo curva tão fortemente que as equações de Einstein funcionam mal e a verdadeira natureza quântica da gravidade e espaço-tempo deve ser revelada — sempre se esconde atrás dos horizontes dos buracos negros.
“Mesmo alguns anos atrás, foi um consenso genérico que, provavelmente, nem sequer é possível medir a quantificação do campo gravitacional de qualquer maneira”, disse Igor Pikovski , físico teórico da Universidade de Harvard.
Agora, um par de trabalhos recentemente publicados em Physical Review Letters mudou o cálculo. Os documentos afirmam que é possível acessar a gravidade quântica depois de tudo — sem aprender nada sobre isso. Os trabalhos, escritos por Sougato Bose do 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 que a gravidade é uma força quântica como todo o resto , sem nunca detectar um graviton. Miles Blencowe, um físico quântico do Dartmouth College, que não estava envolvido no trabalho, disse que o experimento detectaria um sinal seguro de gravidade quântica de outra forma invisível — o “sorriso do gato Cheshire”.
O experimento proposto determinará se dois objetos — o grupo de Bose planeja usar um par de microdiamãs — podem se tornar em mecânica quântica emaranhados uns com os outros através de sua atração gravitacional mútua. O 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 registrada dos sistemas quânticos.) Por exemplo, um par de partículas emaranhadas pode existir em uma superposição em que há uma chance de 50 por cento de que a “rotação” da partícula A aponta para cima e os pontos de B para baixo, e uma chance de 50 por cento do reverso. Não há antecipação do resultado que você obterá quando você medir as direções de rotação das partículas, mas você pode ter certeza de que elas vão apontar maneiras opostas.
Os autores argumentam que os dois objetos em seu experimento proposto podem ficar emaranhados uns com os outros dessa maneira apenas se a força que atua entre eles — neste caso, a gravidade — é uma interação quântica, mediada por gravitons que podem manter superposições quânticas. “Se você pode fazer o experimento e ficar emaranhado, então, de acordo com esses artigos, você deve concluir que a gravidade é quantizada”, explicou Blencowe.
Enrolar um diamante
A gravidade quântica é tão imperceptível que alguns pesquisadores questionaram se existe mesmo. O venerável físico matemático Freeman Dyson , de 94 anos, argumentou desde 2001 que o universo pode 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”, como Ele escreveu aquele ano na The New York Review of Books , embora toda a matéria dentro deste contínuo espaço-tempo suave seja quantizada em partículas que obedecem as regras probabilísticas.
Dyson, que ajudou a desenvolver a eletrodinâmica quântica (a teoria das interações entre a matéria e a luz) e é professor emérito no Instituto de Estudos Avançados em Princeton, Nova Jersey, onde ele se sobrepõe com Einstein, discorda do argumento de que a gravidade quântica é necessária para descrever os interiores inacessíveis dos buracos negros. E ele pergunta se a detecção do graviton hipotético pode ser impossível, mesmo em princípio. Nesse caso, ele argumenta, 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 têm a hipótese de que o espaço-tempo não pode manter superposições. Eles argumentam que sua natureza lisa, sólida e fundamentalmente clássica impede que ela se curve de duas maneiras possíveis ao mesmo tempo — e que sua rigidez é exatamente o que faz com que as superposições dos sistemas quânticos, como elétrons e fótons, colapsam. Esta “decoerência gravitacional”, na sua opinião, dá origem à realidade clássica, sólida, experimentada em escalas macroscópicas.
“O que é bonito sobre os argumentos é que você realmente não precisa saber o que é a teoria quântica [da gravidade], especificamente.” Miles Blencowe
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, principalmente por acaso, embora os especialistas dissessem que refletiam o zeitgeist. Os laboratórios experimentais de física quântica em todo o mundo estão colocando objetos microscópicos cada vez maiores em superposições quânticas e protocolos de racionalização para testar se dois sistemas quânticos estão emaranhados. O experimento proposto terá que combinar esses procedimentos, exigindo novas melhorias em escala e sensibilidade; Pode levar uma década ou mais para retirá-lo. “Mas não há bloqueios físicos”, disse Pikovski, que também estuda como experimentos de laboratório podem investigar fenômenos gravitacionais. “Eu acho que é um desafio, mas não acho impossível”.
O plano é apresentado em maior detalhe no artigo de Bose e co-autores — um Ocean’s Eleven de especialistas para diferentes passos da proposta. Em seu laboratório na Universidade de Warwick, por exemplo, o co-autor Gavin Morleyestá trabalhando no primeiro passo, tentando colocar um microdiamã em uma superação quântica de dois locais. Para fazer isso, ele irá incorporar um átomo de nitrogênio no microdiamã, ao lado de uma vaga na estrutura do diamante, e zapa-lo com um pulso de microondas. Um elétron que orbita o sistema de vacância do nitrogênio absorve a luz e não, e o sistema entra em uma superposição quântica de duas direções de rotação — para cima e para baixo — como uma parte giratória que tem alguma probabilidade de girar no sentido horário e algumas chances de girar no sentido anti-horário . O microdiamã, carregado com esta rotação superposta, é submetido a um campo magnético, o que faz girar as rotações para a esquerda, enquanto as rotações para baixo vão para a direita. O próprio diamante, portanto, se divide em uma superposição de duas trajetórias.
Na experiência completa, os pesquisadores devem fazer tudo isso para dois diamantes — um azul e um vermelho, digamos — suspensos um ao lado do outro dentro de um vácuo ultracongelado. Quando a armadilha segurando-os é desligada, as duas microdiamãs, cada uma em uma superposição de dois locais, caem verticalmente através do vácuo. À medida que eles caem, os diamantes sentem a gravidade uns dos outros. Mas quão forte é a atração gravitacional?
Se a gravidade é uma interação quântica, 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 o último está no ramo de sua superposição que está mais perto ou mais distante. E a gravidade sentida por cada componente da superposição do diamante vermelho depende de onde o diamante azul é.
Em cada caso, os diferentes graus de atração gravitacional afetam os componentes em evolução das superposições de diamantes. Os dois diamantes tornam-se interdependentes, o que significa que seus estados só podem ser especificados em combinação — se isso, então, — de modo que, no final, as direções de rotação de seus dois sistemas de vacância de nitrogênio serão correlacionadas.
Depois que os microdiamãs caíram lado a lado por cerca de três segundos — tempo suficiente para se emaranhar com a gravidade do outro -, passam por outro campo magnético que reúne os ramos de cada superposição. O último passo do experimento é um protocolo de “testemunho de emaranhamento” desenvolvido pela física holandesa Barbara Terhale, outros: os diamantes azuis e vermelhos entram em dispositivos separados que medem as direções de rotação de seus sistemas de vazio do nitrogênio. (A medida faz superposições colapsar em estados definidos). Os dois resultados são então comparados. Ao executar todo o experimento uma e outra vez e comparar vários pares de medidas de rotação, os pesquisadores podem determinar se as rotações dos dois sistemas quânticos estão correlacionadas um com o outro com mais freqüência do que um limite superior conhecido para objetos que não estão emaranhados mecanicamente . Nesse caso, seguiria que a gravidade enrola os diamantes e pode suportar superposições.
“O que é lindo com os argumentos é que você realmente não precisa saber o que é a teoria quântica, especificamente”, disse Blencowe. “Tudo o que você tem a dizer é que tem que haver algum aspecto quântico neste campo que medeia a força entre as duas partículas”.
Os desafios técnicos abundam. O maior objeto que foi colocado em uma superposição de dois locais antes é uma molécula de 800 átomos . Cada microdiamond contém mais de 100 bilhões de átomos de carbono — o suficiente para reunir uma força gravitacional suficiente. Desenterrar seu caráter quântico-mecânico exigirá temperaturas mais frias, um vácuo mais alto e um controle mais fino. “Tanto trabalho é obter esta superposição inicial em funcionamento”, disse Peter Barker, membro da equipe experimental da UCL, que está melhorando os métodos para o arrefecimento a laser e a captura de microdiamãs. Se pode ser feito com um diamante, acrescentou Bose, “então dois não fazem muita diferença”.
Por que a gravidade é única
Os pesquisadores de gravidade quântica não duvidam que a gravidade seja uma interação quântica, capaz de induzir o emaranhamento. Certamente, a gravidade é especial de algumas maneiras, e há muito a descobrir sobre a origem do espaço e do tempo, mas a mecânica quântica deve estar envolvida, dizem eles. “Na verdade, não faz muito sentido tentar ter uma teoria na qual o resto da física é a quântica e a gravidade é clássica”, disse Daniel Harlow , um pesquisador de gravidade quântica no Massachusetts Institute of Technology. Os argumentos teóricos contra modelos mistos quantum-classical são fortes (embora não conclusivos).
Por outro lado, os teóricos já estiveram errados antes, Harlow observou: “Então, se você pode verificar, por que não? Se isso encerra essas pessoas”- significando pessoas que questionam a quantidade da gravidade - “isso é ótimo”.
Dyson escreveu em um e-mail, depois de ler os artigos da PRL : “O experimento proposto certamente é de grande interesse e vale a pena realizar com sistemas quânticos reais”. No entanto, ele disse que a maneira de pensar dos autores sobre os campos quânticos é diferente do dele. “Não é claro para mim se [o experimento] resolveria a questão de saber se a gravidade quântica existe”, escreveu ele. “A questão que eu tenho perguntado, se um único graviton é observável, é uma questão diferente e pode vir a ter uma resposta diferente”.
De fato, a maneira como Bose, Marletto e seus co-autores pensam sobre a gravidade quantizada deriva de como Bronstein o concebeu pela primeira vez em 1935. (Dyson chamou o papel de Bronstein “um belo trabalho” que ele não tinha visto antes). Em particular Bronstein mostrou que a gravidade fraca produzida por uma pequena massa pode ser aproximada pela lei da gravidade de Newton. (Esta é a força que atua entre as superposições de microdiamãs.) De acordo com Blencowe, cálculos de gravidade fraca quantificada não foram muito desenvolvidos, apesar de serem discutidos mais fisicamente relevantes do que a física dos buracos negros ou do Big Bang. Ele espera que a nova proposta experimental estimule os teóricos para descobrir se existem correções sutis na aproximação newtoniana de que futuros experimentos de mesa podem ser capazes de investigar.
Leonard Susskind , um importante teórico de gravidade quântica e teórico de cordas da Universidade de Stanford, viu o valor na realização do experimento proposto porque “fornece uma observação da gravidade em uma nova faixa de massas e distâncias”. Mas ele e outros pesquisadores enfatizaram que os microdiamãs 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 muito mais difícil quantificar a gravidade do que todo o resto é que outros campos de força na natureza exibem um recurso chamado “localidade”: as partículas quânticas em uma região do campo (fótons no campo eletromagnético, por exemplo ) são “independentes das entidades físicas em alguma outra região do espaço”, disse Mark Van Raamsdonk , um teórico da gravidade quântica da Universidade da Colúmbia Britânica. Mas “há pelo menos um monte de evidências teóricas de que não é assim que a gravidade funciona”.
Nos melhores modelos de brinquedos da gravidade quântica (que possuem geometrias espaço-tempo que são mais simples do que as do universo real), não é possível supor que o tecido do espaço-tempo flexível se subdivide em peças 3-D independentes, Van Raamsdonk disse. Em vez disso, a teoria moderna sugere que os componentes fundamentais subjacentes do espaço “são organizados mais de uma maneira bidimensional”. O tecido do espaço-tempo pode ser como um holograma ou um videogame: “Embora a imagem seja tridimensional , a informação é armazenada em algum chip de computador bidimensional”, disse ele. Nesse caso, o mundo 3-D é ilusório no sentido de que partes diferentes dele não são tão independentes. Na analogia do videogame, um punhado de bits armazenados no chip 2-D pode codificar as características globais do universo do jogo.
A distinção é importante quando você tenta construir uma teoria quântica da gravidade. A abordagem usual para quantificar algo é identificar suas partes independentes — partículas, digamos — e depois aplicar a mecânica quântica a elas. Mas se você não identifica os constituintes corretos, você obtém as equações erradas. A quantificação direta do espaço 3-D, como fez Bronstein, funciona em certa medida para a gravidade fraca, mas o método falha quando o espaço-tempo é altamente curvo.
Testemunhar o “sorriso” da gravidade quântica ajudaria a motivar essas linhas abstratas de raciocínio, disseram alguns especialistas. Afinal, mesmo os argumentos teóricos mais sensíveis para a existência de gravidade quântica não possuem gravitons de fatos experimentais. Quando Van Raamsdonk explica sua pesquisa em um colóquio ou conversa, ele disse, ele geralmente deve começar dizendo que a gravidade precisa ser reconciliada com a mecânica quântica porque a descrição clássica do espaço-tempo falha para buracos negros e Big Bang e em pensamentos experimentais sobre partículas colidindo em energias inacessivelmente altas. “Mas se você pudesse apenas fazer essa experiência simples e obter o resultado que mostra que o campo gravitacional estava realmente em uma superposição”, disse ele, então a razão pela qual a descrição clássica é baixa seria evidente.
Correção 6 de março de 2018: uma versão anterior deste artigo referia-se à Universidade de Dartmouth. Apesar de Dartmouth ter várias escolas individuais, incluindo uma faculdade de graduação, bem como escolas acadêmicas e profissionais de pós-graduação, a instituição se refere a si mesmo como Dartmouth College por razões históricas.