Pesquisadores liderados pela Universidade de Warwick introduziram o primeiro método unificado para identificar “flutuações do espaço-tempo” – pequenas distorções aleatórias na estrutura do espaço-tempo que aparecem em muitos esforços para ligar a física quântica à gravidade.
Espera-se que essas pequenas mudanças, propostas pela primeira vez pelo físico John Wheeler, apareçam em várias das principais teorias da gravidade quântica. No entanto, diferentes teorias prevêem diferentes tipos de flutuações, tornando difícil para os cientistas experimentais saberem exactamente que sinais procurar.
Transforme a teoria em sinais mensuráveis
Nova pesquisa publicada em comunicações da naturezaresolve esse problema classificando as flutuações espaço-temporais em três categorias principais com base em seu desempenho no espaço e no tempo. Para cada categoria, a equipe identificou padrões claros e mensuráveis que podem ser detectados usando interferômetros a laser – desde grandes sistemas como o LIGO de 4 quilômetros de comprimento até configurações experimentais menores como QUEST e GQuEST, desenvolvidas no Reino Unido (Universidade de Cardiff) e nos EUA (Caltech), respectivamente.
Sharmila Balamurugan, professora assistente da Universidade de Warwick e primeira autora, disse:”Diferentes modelos gravitacionais prevêem tendências subjacentes muito diferentes nas flutuações aleatórias do espaço-tempo, deixando os experimentalistas sem um alvo claro. Nosso trabalho fornece o primeiro guia unificado para converter essas previsões teóricas abstratas em sinais mensuráveis concretos.”
“Isso significa que agora podemos usar os interferômetros existentes para testar toda uma classe de previsões quânticas da gravidade, em vez de esperar por técnicas inteiramente novas. Este é um passo importante para trazer algumas das questões mais fundamentais da física firmemente para o domínio experimental.”
O que a pesquisa revela
As descobertas destacam vários insights importantes sobre como diferentes instrumentos detectam essas flutuações:
- O interferômetro de desktop supera o LIGO em largura de banda.
Embora de tamanho muito menor, sistemas como QUEST e GQueST podem fornecer informações mais detalhadas sobre as flutuações do espaço-tempo. Sua faixa de frequência mais ampla permite capturar todos os principais modos de sinal. - LIGO é um excelente detector sim/não.
Devido às cavidades dos seus longos braços, o LIGO é extremamente sensível à presença de flutuações no espaço-tempo. No entanto, as frequências associadas estão além do alcance dos dados atualmente públicos. - Um longo debate foi resolvido.
O estudo aborda uma questão contínua sobre se as cavidades nos braços podem melhorar as capacidades de detecção. Os resultados mostram que melhoram a sensibilidade, dependendo do tipo de flutuações estudadas.
“Os interferômetros podem medir o espaço-tempo com muita precisão”, disse o coautor do estudo, Dr. Sander Vermeulen, da Caltech. “No entanto, para medir as flutuações do espaço-tempo com um interferómetro, precisamos de saber onde (ou seja, a que frequência) estamos a observar e como será o sinal. Com a nossa estrutura, podemos agora prever isto através de uma vasta gama de teorias.”
Ferramentas flexíveis para física básica
Uma vantagem importante deste quadro é que não se baseia numa explicação única sobre como surgem estas flutuações. Em vez disso, requer apenas uma descrição matemática das flutuações propostas e detalhes sobre a configuração da medição. Essa flexibilidade o torna útil para estudar não apenas a gravidade quântica, mas também ondas gravitacionais aleatórias, possíveis sinais de matéria escura e certos tipos de ruído experimental.
O professor Animesh Datta, professor de física teórica na Universidade de Warwick, concluiu: “Com esta abordagem, podemos agora tratar qualquer modelo proposto de flutuações espaço-tempo de uma forma consistente e comparável. Nos próximos anos, podemos usá-lo para projetar interferômetros de mesa mais inteligentes para confirmar ou refutar possíveis teorias quânticas ou semiclássicas da gravidade, ou mesmo testar novas ideias sobre matéria escura e ondas gravitacionais aleatórias.”
Este trabalho foi financiado pelo programa “Tecnologias Quânticas em Física Fundamental” do STFC do Reino Unido (números de bolsas ST/T006404/1, ST/W006308/1 e ST/Y004493/1) e bolsas de pesquisa Leverhulme Trust ECF-2024-124 e RPG-2019-022.
