Em 1935, quando a mecânica quântica e a teoria geral da relatividade de Einstein eram muito jovens, o não tão famoso físico soviético Matvey Bronstein, aos 28 anos, fez o primeiro estudo detalhado sobre a reconciliação dessas duas teorias na teoria quântica da gravidade. Esta, "talvez a teoria de todo o mundo", como escreveu Bronstein, poderia suplantar a descrição clássica de Einstein da gravidade, na qual ela é vista como curvas no contínuo espaço-tempo, e reescrevê-la em linguagem quântica, como todas as outras físicas.
Bronstein descobriu como descrever a gravidade em termos de partículas quantizadas, agora chamadas de grávitons, mas apenas quando a força da gravidade é fraca - isto é (na relatividade geral) quando o espaço-tempo é tão fracamente curvado que é praticamente plano. Quando a gravidade é forte, "a situação é completamente diferente", escreveu o cientista. "Sem uma revisão profunda dos conceitos clássicos, parece quase impossível apresentar uma teoria quântica da gravidade nesta área."
Suas palavras foram proféticas. Oitenta e três anos depois, os físicos ainda estão tentando entender como a curvatura do espaço-tempo se manifesta em uma escala macroscópica, derivando da imagem mais fundamental e supostamente quântica da gravidade; talvez a questão mais profunda da física. Talvez, se houvesse uma chance, a cabeça brilhante de Bronstein aceleraria o processo dessa busca. Além da gravidade quântica, ele também fez contribuições à astrofísica e cosmologia, teoria dos semicondutores, eletrodinâmica quântica e escreveu vários livros para crianças. Em 1938, ele caiu sob a repressão stalinista e foi executado aos 31 anos.
A busca por uma teoria completa da gravidade quântica é complicada pelo fato de que as propriedades quânticas da gravidade nunca se manifestam na experiência real. Os físicos não vêem como a descrição de Einstein de um contínuo espaço-tempo suave é violada, ou sua aproximação quântica de Bronstein em um estado ligeiramente curvo.
O problema reside na extrema fraqueza da força gravitacional. Enquanto as partículas quantizadas que transmitem forças fortes, fracas e eletromagnéticas são tão fortes que prendem a matéria em átomos e podem ser examinadas literalmente sob uma lupa, os grávitons individualmente são tão fracos que os laboratórios não têm chance de detectá-los. Para capturar um gráviton com alto grau de probabilidade, o detector de partículas deve ser tão grande e massivo que colapsa em um buraco negro. Essa fraqueza explica por que as acumulações de massa astronômica são necessárias para influenciar outros corpos massivos por meio da gravidade e por que vemos efeitos gravitacionais em escalas enormes.
Isso não é tudo. O universo parece estar passando por algum tipo de censura cósmica: áreas de forte gravidade - onde as curvas de espaço-tempo são tão nítidas que as equações de Einstein falham e a natureza quântica da gravidade e do espaço-tempo deve ser revelada - estão sempre se escondendo atrás dos horizontes dos buracos negros.
“Mesmo alguns anos atrás, havia um consenso geral de que era provavelmente impossível medir a quantização do campo gravitacional de qualquer forma”, disse Igor Pikovsky, um físico teórico da Universidade de Harvard.
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E aqui estão alguns artigos recentes publicados na Physical Review Letters que mudaram a situação. Esses documentos afirmam que pode ser possível chegar à gravidade quântica - mesmo sem saber nada a respeito. Os artigos, escritos por Sugato Bose da University College London e Chiara Marletto e Vlatko Vedral da Universidade de Oxford, propõem um experimento tecnicamente desafiador, mas viável, que pode confirmar que a gravidade é uma força quântica como qualquer outra, sem exigir a detecção do gráviton. Miles Blencoe, um físico quântico do Dartmouth College que não esteve envolvido no trabalho, diz que tal experimento pode revelar um traço claro da gravidade quântica invisível - o "sorriso do Gato de Cheshire".
O experimento proposto irá determinar se dois objetos - o grupo de Bose planeja usar um par de microdiamantes - tornam-se mecanicamente quânticos emaranhados entre si no processo de atração gravitacional mútua. Emaranhamento é um fenômeno quântico no qual as partículas se tornam inseparavelmente entrelaçadas, compartilhando uma única descrição física que define seus possíveis estados combinados. (A coexistência de diferentes estados possíveis é chamada de "superposição" e define um sistema quântico). Por exemplo, um par de partículas emaranhadas pode existir em uma superposição, na qual a partícula A girará de baixo para cima com uma probabilidade de 50%, e B - de cima para baixo, e vice-versa, com uma probabilidade de 50%. Ninguém sabe com antecedência que resultado você obterá ao medir a direção do spin das partículas, mas você pode ter certeza de queque eles terão o mesmo.
Os autores argumentam que dois objetos no experimento proposto podem ficar emaranhados dessa forma apenas se a força agindo entre eles - neste caso a gravidade - for uma interação quântica mediada por grávitons, que podem suportar superposições quânticas. “Se for feito um experimento e obtido o emaranhamento, segundo o artigo, pode-se concluir que a gravidade é quantizada”, explica Blenkow.
Emaranhar o diamante
A gravidade quântica é tão sutil que alguns cientistas questionaram sua existência. O renomado matemático e físico Freeman Dyson, 94, argumentou desde 2001 que o universo pode suportar uma espécie de descrição "dualística", na qual "o campo gravitacional descrito pela teoria geral da relatividade de Einstein será um campo puramente clássico sem qualquer comportamento quântico." e toda a matéria neste contínuo espaço-tempo suave será quantizada por partículas que obedecem às regras de probabilidade.
Dyson, que ajudou a desenvolver a eletrodinâmica quântica (a teoria das interações entre matéria e luz) e é professor emérito do Institute for Advanced Study em Princeton, New Jersey, não acredita que a gravidade quântica seja necessária para descrever as profundezas inatingíveis dos buracos negros. E ele também acredita que detectar um gráviton hipotético pode ser impossível em princípio. Nesse caso, diz ele, a gravidade quântica será metafísica, não física.
Ele não é o único cético. O famoso físico inglês Sir Roger Penrose e o cientista húngaro Lajos Diosi assumiram, independentemente, que o espaço-tempo não poderia suportar a superposição. Eles acreditam que sua natureza lisa, sólida e fundamentalmente clássica o impede de se dobrar em dois caminhos possíveis simultaneamente - e é essa rigidez que leva ao colapso das superposições de sistemas quânticos como elétrons e fótons. A “decoerência gravitacional”, para eles, permite que aconteça uma realidade única, sólida, clássica, que pode ser sentida em escala macroscópica.
Encontrar um “sorriso” de gravidade quântica parece refutar o argumento de Dyson. Também mata a teoria da decoerência gravitacional ao mostrar que a gravidade e o espaço-tempo suportam superposições quânticas.
As propostas de Bose e Marletto surgiram simultânea e completamente por acaso, embora os especialistas notem que refletem o espírito da época. Laboratórios experimentais de física quântica em todo o mundo estão colocando objetos microscópicos cada vez maiores em superposições quânticas e otimizando protocolos de teste para o emaranhamento de dois sistemas quânticos. O experimento proposto precisaria combinar esses procedimentos, ao mesmo tempo que requeria melhorias adicionais em escala e sensibilidade; pode levar dez anos. "Mas não existe um beco sem saída físico", diz Pikovsky, que também está explorando como os experimentos de laboratório podem sondar fenômenos gravitacionais. "Eu acho que é difícil, mas não impossível."
Este plano é descrito com mais detalhes no trabalho dos onze especialistas de Bose e outros Ocean para as diferentes fases da proposta. Por exemplo, em seu laboratório na Universidade de Warwick, o co-autor Gavin Morley está trabalhando no primeiro estágio, tentando colocar um microdiamante em uma superposição quântica em dois lugares. Para fazer isso, ele envolverá um átomo de nitrogênio em um micro-diamante, próximo a uma lacuna na estrutura do diamante (o chamado centro NV, ou uma lacuna substituída por nitrogênio em um diamante), e carregá-lo com um pulso de microondas. Um elétron girando em torno do centro NV simultaneamente absorve luz e não o faz, e o sistema entra em uma superposição quântica de duas direções de spin - para cima e para baixo - como um topo que gira no sentido horário com certa probabilidade e no sentido anti-horário com certa probabilidade. Um micro-diamante carregado com esta rotação de superposição é exposto a um campo magnético,o que faz o giro superior se mover para a esquerda e o giro inferior para a direita. O próprio diamante é dividido em uma superposição de duas trajetórias.
Em um experimento completo, os cientistas têm que fazer tudo isso com dois diamantes - vermelho e azul, digamos - localizados lado a lado em um vácuo ultracold. Quando a armadilha que os prendia desligar, dois microdiamantes, cada um em uma sobreposição de duas posições, cairão verticalmente no vácuo. Conforme os diamantes caem, eles vão sentir a gravidade de cada um deles. Quão forte será sua atração gravitacional?
Se a gravidade é uma interação quântica, a resposta é: dependendo de quê. Cada componente da superposição de um diamante azul experimentará uma atração mais forte ou mais fraca pelo diamante vermelho, dependendo se este último está no ramo de superposição que está mais próximo ou mais distante. E a gravidade sentida por cada componente da superposição de um diamante vermelho é similarmente dependente do estado do diamante azul.
Em cada caso, diferentes graus de atração gravitacional afetam os componentes em evolução das superposições de diamante. Dois diamantes tornam-se interdependentes porque seus estados só podem ser determinados em combinação - se isso significa que - portanto, em última análise, as direções dos spins dos dois sistemas de centros de NV se correlacionarão.
Depois que os microdiamantes caem lado a lado por três segundos - o suficiente para ficarem emaranhados na gravidade -, eles passam por outro campo magnético, que irá alinhar novamente os ramos de cada superposição. A última etapa do experimento é o protocolo de testemunha de emaranhamento, desenvolvido pela física dinamarquesa Barbara Teral e outros: diamantes azuis e vermelhos entram em dispositivos diferentes que medem as direções de spin dos sistemas centrais NV. (A medição leva ao colapso das superposições em certos estados). Em seguida, os dois resultados são comparados. Executando o experimento repetidamente e comparando vários pares de medições de spin, os cientistas podem determinar se os spins de dois sistemas quânticos foram realmente correlacionados com mais frequência do que definir um limite superior para objetos que não são mecanicamente emaranhados quânticos. Se então,a gravidade embaraça os diamantes e pode manter a superposição.
“O que é interessante sobre esse experimento é que você não precisa saber o que é a teoria quântica”, diz Blenkow. "Tudo o que é necessário é afirmar que existe algum aspecto quântico nesta área que é mediado pela força entre as duas partículas."
Existem muitas dificuldades técnicas. O maior objeto que já foi sobreposto em dois lugares antes é uma molécula de 800 átomos. Cada micro-diamante contém mais de 100 bilhões de átomos de carbono - o suficiente para criar uma força gravitacional tangível. Descompactar sua natureza mecânica quântica exigirá baixas temperaturas, vácuo profundo e controle preciso. “Há muito trabalho envolvido na configuração da superposição inicial e no acionamento”, diz Peter Barker, membro de uma equipe experimental que está aprimorando o resfriamento a laser e as técnicas de captura de microdiamantes. Se isso pudesse ser feito com um diamante, acrescenta Bose, "o segundo não seria um problema".
O que torna a gravidade única?
Os pesquisadores da gravidade quântica não têm dúvidas de que a gravidade é uma interação quântica que pode causar emaranhamento. Claro, a gravidade é algo único e ainda há muito a ser aprendido sobre as origens do espaço e do tempo, mas a mecânica quântica deve definitivamente estar envolvida, dizem os cientistas. "Bem, realmente, qual é o ponto em uma teoria em que grande parte da física é quântica e a gravidade é clássica", diz Daniel Harlow, pesquisador de gravidade quântica do MIT. Os argumentos teóricos contra os modelos clássicos quânticos mistos são muito fortes (embora não conclusivos).
Por outro lado, os teóricos já se enganaram antes. “Se você pode verificar, por que não? Se silenciar essas pessoas que questionam a quanticidade da gravidade, seria ótimo”, disse Harlow.
Depois de ler os documentos, Dyson escreveu: "O experimento proposto é, sem dúvida, de grande interesse e requer a realização nas condições de um sistema quântico real." No entanto, ele observa que a direção de pensamento dos autores sobre os campos quânticos é diferente da sua. “Não está claro para mim se este experimento será capaz de resolver a questão da existência da gravidade quântica. A pergunta que fiz - se observamos um gráviton separado - é outra pergunta, e pode ter uma resposta diferente."
A linha de pensamento de Bose, Marletto e seus colegas sobre a gravidade quantizada deriva do trabalho de Bronstein já em 1935. (Dyson chamou o trabalho de Bronstein de "belo trabalho" que ele não tinha visto antes). Em particular, Bronstein mostrou que a gravidade fraca gerada por baixa massa pode ser aproximada pela lei da gravitação de Newton. (Esta é a força que atua entre as sobreposições de microdiamantes). De acordo com Blencoe, os cálculos da gravidade fraca quantizada não foram particularmente realizados, embora sejam certamente mais relevantes do que a física dos buracos negros ou o Big Bang. Ele espera que a nova proposta experimental encoraje os teóricos a buscar refinamentos sutis para a aproximação newtoniana, que futuros experimentos de mesa podem tentar testar.
Leonard Susskind, um renomado teórico da gravidade quântica e das cordas da Universidade de Stanford, viu o valor do experimento proposto porque "ele fornece observações da gravidade sobre uma nova faixa de massas e distâncias". Mas ele e outros pesquisadores enfatizaram que os microdiamantes não podem revelar nada sobre uma teoria completa da gravidade quântica ou do espaço-tempo. Ele e seus colegas gostariam de entender o que está acontecendo no centro de um buraco negro e na hora do Big Bang.
Talvez uma das pistas de por que a gravidade é muito mais difícil de quantificar do que qualquer outra coisa é que outras forças da natureza têm a chamada "localidade": as partículas quânticas em uma região do campo (fótons em um campo eletromagnético, por exemplo) são "independentes de outras entidades físicas em outra região do espaço”, diz Mark van Raamsdonk, um teórico da gravidade quântica da Universidade de British Columbia. "Mas há muitas evidências teóricas de que a gravidade não funciona dessa maneira."
Nos melhores modelos de gravidade quântica de areia (com geometrias espaço-temporais simplificadas), é impossível supor que o tecido espaço-temporal da fita seja dividido em peças tridimensionais independentes, diz van Raamsdonk. Em vez disso, a teoria moderna sugere que os constituintes básicos e subjacentes do espaço são "organizados em duas dimensões". A estrutura do espaço-tempo pode ser como um holograma ou um videogame. "Embora a imagem seja tridimensional, as informações são armazenadas em um chip de computador bidimensional." Nesse caso, o mundo tridimensional será uma ilusão, no sentido de que suas várias partes não são tão independentes. Semelhante a um videogame, alguns bits em um chip bidimensional podem codificar as funções globais de todo o universo do jogo.
E essa diferença é importante quando você está tentando criar uma teoria quântica da gravidade. A abordagem usual para quantizar algo é definir suas partes independentes - partículas, por exemplo - e então aplicar a mecânica quântica a elas. Mas se você não identificar os constituintes corretos, acabará com as equações erradas. A quantização direta do espaço tridimensional que Bronstein queria fazer funciona até certo ponto com gravidade fraca, mas acaba se revelando inútil quando o espaço-tempo é severamente curvo.
Alguns especialistas dizem que testemunhar o “sorriso” da gravidade quântica pode motivar esse tipo de raciocínio abstrato. Afinal, mesmo os argumentos teóricos mais ruidosos sobre a existência da gravidade quântica não são apoiados por evidências experimentais. Quando van Raamsdonk explica sua pesquisa em um colóquio de cientistas, ele diz, geralmente começa contando como a gravidade precisa ser repensada com a mecânica quântica, porque a descrição clássica do espaço-tempo se quebra nos buracos negros e no Big Bang.
“Mas se você fizer este experimento simples e mostrar que o campo gravitacional estava em superposição, o fracasso da descrição clássica se torna óbvio. Porque haverá um experimento que implica que a gravidade é quântica."
Baseado em materiais da Revista Quanta
Ilya Khel
