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Experimento com vácuo quântico pára o tempo e muda definição da luz

Experimento com vácuo quântico pára o tempo e muda definição da luz
Esquema das variações espaço-temporais do nível de flutuações do vácuo quântico.[Imagem: University of Konstanz]

Alterar o vácuo

Físicos alemães deram mais um passo rumo à compreensão e, mais importante, ao domínio do enigmático vácuo quântico, que tem-se mostrado muito diferente da noção de vácuo tradicional.

No vácuo quântico, em vez de um "nada", há partículas emergindo para a existência e rapidamente desaparecendo o tempo todo - essas partículas fugazes podem ser usadas para criar qubits para computadores quânticos.

A equipe do professor Alfred Leitenstorfer, um especialista em fenômenos ultrarrápidos, já havia descoberto como detectar sinais desse "nada quântico".

Agora, eles descobriram como manipular o estado elétrico do vácuo quântico, de forma a alterar o estado fundamental do espaço vazio - algo que só pode ser entendido com um bocado de teoria quântica da luz, já que a coisa é algo como "esvaziar o vazio".

Parando o tempo

O experimento começa com um laser especial, que gera pulsos ultracurtos de luz, que duram apenas alguns femtossegundos, o que significa que seu comprimento de onda é mais curto do que a metade do ciclo de luz que a equipe está estudando - a frequência utilizada fica na faixa do infravermelho médio.

Isso gera uma sensitividade extrema, permitindo a detecção de flutuações eletromagnéticas mesmo na ausência de intensidade da luz, ou seja, na completa escuridão.

Experimento com vácuo quântico pára o tempo e muda definição da luz
Se tudo parece muito distante, é bom saber que já existe um simulador quântico que detecta a matéria surgindo do vácuo. [Imagem: IQOQI/Harald Ritsch]

Para isso, em vez de operarem no domínio das frequências das ondas de luz, a equipe trabalha no domínio do tempo. Em um determinado ponto no tempo, as amplitudes do campo elétrico são medidas diretamente, em vez de analisar a luz em uma faixa de frequência, como normalmente se faz. Estudando diferentes pontos no tempo produz-se um mapa característico dos padrões do "ruído de fundo" mais fundamental, permitindo tirar conclusões detalhadas sobre o estado quântico temporal dos fótons.

Isto significa que, no momento em que o pulso de laser se propaga junto com o campo quântico que está sendo estudado, o experimento de certa forma pára o tempo. Em última instância, tempo e espaço - ou espaço-tempo, se você preferir - se comportam de forma absolutamente equivalente durante um experimento, o que é uma indicação da natureza inerentemente relativística da luz.

Comprimindo o vácuo e a luz

O que tudo isto representa?

Como esta nova técnica de medição não precisa absorver os fótons a serem medidos e nem amplificá-los, é possível detectar diretamente o ruído de fundo eletromagnético do vácuo e, portanto, os desvios controlados desse estado fundamental, desvios estes criados pelos próprios parâmetros do experimento.

"Podemos analisar estados quânticos sem alterá-los em uma primeira aproximação," explica o professor Leitenstorfer, detalhando que isto cria uma técnica radicalmente nova e mais precisa de realizar medições quânticas.

Para demonstrar que eles estão realmente manipulando o estado fundamental do vácuo quântico, a equipe usou sua técnica para gerar "luz comprimida", um estado do campo de radiação eletromagnética que não pode ser explicado pela física clássica.

Experimento com vácuo quântico pára o tempo e muda definição da luz
Outro fenômeno intimamente ligado é a chamada seta do tempo, que explica porque as coisas não dão marcha-a-ré no Universo. [Imagem: APS/Alan Stonebraker]

Um pulso intenso do laser de femtossegundos altera a velocidade da luz em um determinado segmento do espaço-tempo. Esta modulação local da velocidade de propagação "espreme" o campo do vácuo - sim, é possível comprimir o vácuo quântico -, o que equivale a uma redistribuição das flutuações do vácuo. Como a frente de onda da luz em alguns pontos fica mais lenta para acompanhar o vácuo, tudo o que vem atrás precisa também andar mais devagar, como em um congestionamento na estrada, criando pulsos de luz mais curtos - a chamada luz comprimida.

Definição de fóton

Enquanto as amplitudes de flutuação se desviam positivamente do ruído de vácuo em uma velocidade temporariamente crescente da luz, quando ocorre uma desaceleração, como neste experimento, gera-se um fenômeno surpreendente: o nível de ruído medido é menor do que no estado de vácuo.

Ou seja, gera-se uma redução do estado fundamental do espaço vazio, algo como um vácuo "mais vazio" - ou menos energizado - do que o vácuo. Tudo quântico, bem entendido.

E, tudo isto junto, coloca em questão a própria definição do que é a luz, ou o fóton, a menor "partícula" de luz. Com base nestes resultados, em lugar de ser um pacote quantizado de energia, um fóton nada mais é do que uma medida das flutuações quânticas locais do campo eletromagnético no espaço-tempo.

Bibliografia:

Subcycle Quantum Electrodynamics
C. Riek, P. Sulzer, M. Seeger, A. S. Moskalenko, G. Burkard, D. V. Seletskiy, A. Leitenstorfer
Nature
Vol.: 541, 376-379
DOI: 10.1038/nature21024




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