Experimento poderá unificar teoria da gravidade e física quântica

Baseado em artigo de Florian Aigner - 20/04/2011

Neutrons between two plates in the earth's gravitational field can occupy different quantum states. A vibrating plate (below) can excite them from one state into the other - which allows extremely accurate energy mearurements.
[Imagem: TUWien]

Técnicas de mecânica quântica agora poderão ser usadas para estudar a gravidade.

Cientistas da Universidade de Tecnologia de Viena, na Áustria, desenvolveram um novo método de medição super preciso, que permitirá testar as teorias fundamentais da física.

Entre as possibilidades estão testes sobre as teorias das cordas, da matéria escura e até mesmo a possibilidade de integração entre a gravitação e a mecânica quântica.

Saltos quânticos

O princípio de funcionamento da nova técnica parece simples.

Quando colocados entre duas placas metálicas, nêutrons sob ação do campo gravitacional da Terra podem ocupar diferentes estados quânticos.

Se as placas forem postas para vibrar, essa vibração pode excitar os nêutrons, fazendo-os passar de um estado para outro.

E isto permite medições de energia extremamente precisas, bilhões de vezes mais precisas do que era possível até agora.

Diferenças de energia entre diferentes estados quânticos têm sido medidas há bastante tempo: os métodos de medição mais precisos do mundo são baseados na física quântica.

Os relógios atômicos e a ressonância magnética de alta resolução usada na medicina, todos dependem de medições precisas dos saltos quânticos, quando uma partícula é excitada na frequência exata para que ela mude seu estado quântico - é o que se chama de "espectroscopia de ressonância".

Mas as diferenças entre estados quânticos que aparecem devido à gravitação são um bilhão de vezes menores do que os "enormes" hiatos de energia observados nos átomos e expressos em seus saltos quânticos.

Recentemente, uma equipe alemã propôs um outro experimento para testar Teoria das Cordas, mas baseado no entrelaçamento de partículas.
[Imagem: quintic/Wikipedia]

Ressonância por Gravidade

Agora, os pesquisadores austríacos desenvolveram um novo método de ressonância que, pela primeira vez, não usa o eletromagnetismo, mas a força da gravidade.

A gravidade cria vários estados quânticos possíveis para os nêutrons.

E o Método de Ressonância por Gravidade permite induzir e medir com precisão as transições entre esses estados.

À primeira vista, a física quântica e a gravidade não parecem ter muito em comum - os físicos vêm tentando unificá-las há décadas, sem sucesso.

Nós podemos sentir a gravidade quando entram em ação objetos pesados e gigantescos, como estrelas ou planetas, que deturpam o tecido do espaçotempo.

Partículas quânticas, por outro lado, são tão leves que a gravidade não costuma ter qualquer relevância em sua descrição.

Este novo método interliga essas duas áreas - agora, a teoria da gravidade poderá ser testada em distâncias muito, muito pequenas.

Desta forma, os cientistas esperam obter novos insights sobre a Teoria das Cordas e a natureza da matéria escura.

Até agora, pesquisas envolvendo esses temas têm-se limitado a distâncias astronômicas ou, no mínimo, macroscópicas.

Em uma missão ainda em fase de projeto, três satélites vão procurar as ondas gravitacionais, que poderão comprovar desaparecimento de dimensões.
[Imagem: NASA]

Nêutrons frios

É de fato muito difícil medir os efeitos físico-quânticos da gravidade em escalas muito pequenas.

"É melhor não usar átomos para tais experiências, porque seu comportamento é fortemente influenciado pelas forças eletromagnéticas de curto alcance - como a força de Van der Waals ou a força de Casimir," pondera o professor Hartmut Abele.

"Mas com nossos nêutrons ultra-frios, sem carga e dificilmente polarizáveis, nós podemos fazer medições de alta precisão em curtas distâncias," completa o pesquisador, que fez os experimentos juntamente com seus colegas Tobias Jenke, Hartmut Lemmel e Peter Geltenbort.

Saltos quânticos entre estados de gravidade

Nós podemos levantar uma pedra a qualquer altura - quanto mais alta a erguermos, mais energia temos que gastar.

Para partículas quânticas, como nêutrons, viajando entre duas placas horizontais, as coisas são diferentes: eles só podem assumir "porções" discretas de energia gravitacional.

Os pesquisadores então fizeram com que uma das placas vibrasse com uma frequência controlada com muita precisão.

Se esta frequência corresponde à diferença de energia entre dois estados quânticos, o nêutron é excitado para o próximo estado de energia, mais alto.

Determinando em que frequência essa excitação acontece, portanto, mostra a diferença de energia exata entre dois "estados quânticos gravitacionais".

Isto permitirá pela primeira vez realizar o "experimento da maçã de Newton" em escala quântica.

Ainda é impossível prever qual será o futuro da Teoria das Supercordas.
[Imagem: Cortesia Nature]

Unificação da gravidade com a teoria quântica

Em escala macroscópica, peso e inércia são duas propriedades fundamentais dos objetos maciços: é isto que faz com que dois objetos caiam ao chão à mesma velocidade.

Mas os cientistas querem saber se este comportamento em relação à gravidade é apenas uma boa aproximação, ou se objetos quânticos também obedecem ao mesmo princípio.

Durante décadas, os físicos têm tentado unificar a física quântica e a gravitação, criando uma teoria unificada.

Diferentes "teorias das cordas" têm sido propostas, prevendo a existência de dimensões ocultas do espaço, que ainda não foram descobertas experimentalmente.

"Usando nosso método de nêutrons, vamos tentar testar tais teorias no laboratório," anuncia o professor Hartmut Abele.

Mesmo para a cosmologia, estes experimentos poderão ter um papel importante. Teorias sobre a misteriosa matéria escura, que se acredita governar o movimento das galáxias, poderão agora ser investigadas em escalas minúsculas, com medições de alta precisão.

"Nosso método, que é especialmente projetado para escalas de comprimento muito curtas, pode - se tivermos sorte - nos ajudar a compreender a evolução do próprio Universo. De qualquer forma, novas perspectivas emocionantes nas pesquisas sobre gravidade estão à nossa espera," diz o professor.

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