Uma nova descoberta sugere que os campos gravitacionais podem fazer com que a matéria fique emaranhada quântica – mesmo que o conceito de gravidade quântica não exista. A ideia vem de dois físicos de Londres que estão desafiando a forma como pensamos sobre os campos quânticos e a forma como a gravidade clássica funciona.
procurando gravidade quântica Este é o próximo grande avanço na física, à medida que os investigadores procuram unificar a física do muito pequeno com a física do muito grande. A mecânica quântica explica a primeira, enquanto a relatividade geral – que descreve como a gravidade funciona – explica a última. Física Quântica e Teoria Quântica relatividade geral Foram um produto do primeiro quartel do século XX, mas 100 anos depois, os cientistas ainda não sabem como unificar os dois. Tal como está, essas teorias se contradizem.
Na verdade, as novas descobertas de Joseph Aziz e Richard Hall, da Royal Holloway, Universidade de Londres, certamente complicarão as coisas. Seu trabalho se baseia em um experimento mental proposto pela primeira vez pelo famoso físico Richard Feynman em 1957, que envolve colocar um objeto, como uma maçã, em uma superposição quântica.
Para entender a superposição, considere as propriedades que constituem o estado quântico de uma partícula, como posição, momento, carga ou spin quântico. O valor de cada uma dessas propriedades é de natureza probabilística, e essa distribuição de probabilidade é descrita por uma onda, com o pico da onda representando a probabilidade máxima. A superposição ocorre quando funções de onda de resultados diferentes se sobrepõem.
O experimento mental de Feynman colocaria a localização daquela maçã hipotética em um estado de superposição – em outras palavras, ela existiria em dois locais ao mesmo tempo até ser observada. Uma vez observada, sua função de onda entra em colapso. Então, uma segunda maçã seria introduzida no experimento de Feynman. Se a primeira maçã em uma superposição quântica interagisse gravitacionalmente com o segundo objeto, mesmo que a superposição da primeira maçã entrasse em colapso, Feynman acreditava que isso seria um sinal de gravidade quântica em ação.
“Quando Feynman teve a ideia de que seria possível, em princípio, sobrepor uma massa em dois locais e ver se seu campo gravitacional também estava em uma superposição quântica, ele acreditou que isso significava que a gravidade era quântica”, disse Haar ao Space.com.
Os tratamentos modernos deste experimento mental explicam o acoplamento entre dois objetos à medida que eles se tornam emaranhamento quântico. Isso significa que as propriedades quânticas dos objetos se tornam tão inseparáveis umas das outras que mudanças em uma provocarão mudanças no outro – não importa quão distantes estejam. Albert Einstein Chame o emaranhado quântico de “ação assustadora à distância”.
No entanto, Aziz e Haar mostraram agora que o emaranhamento pode ocorrer mesmo na ausência de gravidade quântica.
grande contradição
Einstein descreveu a gravidade como a curvatura do espaço-tempo (a unidade quadridimensional do espaço e do tempo). No entanto, há um problema com a física quântica.
Além disso, na gravidade quântica, o emaranhado do campo gravitacional será mediado por “grávitons virtuais”. Na verdade, essas partículas não existem e, portanto, são descritas como “virtuais” – mas no estranho mundo da física quântica, é permitida a existência de partículas inexistentes por períodos de tempo muito curtos.
Haar e Aziz mostraram que se a gravidade não for quântica, ela ainda pode estar emaranhada com matéria que pode ser descrita em termos da teoria quântica de campos. O campo gravitacional clássico interage com os campos quânticos da matéria que compõe os dois objetos, e esse quase emaranhamento é mediado por partículas virtuais. Basicamente, Aziz e Harr imaginaram átomos virtuais.
“Geralmente se pensa que para uma interação gravitacional ser emaranhada, o campo gravitacional tem que ser mecânico quântico, para que possa estar em uma superposição quântica”, disse Haar. “O que estamos tentando argumentar é que você pode pensar nas interações gravitacionais como mais gerais do que a mediação de campos gravitacionais, e que pode haver processos quânticos associados a eles, processos de matéria virtual, caso em que mesmo que o campo gravitacional seja clássico, a interação gravitacional ainda poderia potencialmente emaranhar a matéria.”
Haar disse que sua colaboração com Aziz não exclui a gravidade quântica, nem significa que a gravidade quântica seja indistinguível deste quase emaranhamento. Suas descobertas mostram que a gravidade clássica emaranha a matéria com muito menos influência do que a gravidade quântica.
“Se você observar efeitos em grande escala, então saberá que é a gravidade quântica”, disse Haar.
Esses efeitos aparecem como correlações entre partículas ou objetos. Por exemplo, suponha que você tenha uma partícula com spin quântico 1/2 (descrita como “para cima”) e outra partícula com spin quântico –1/2 (descrita como “para baixo”), e as duas partículas estejam quânticamente emaranhadas uma com a outra. Uma correlação forte significa que se você sabe que uma partícula tem spin para cima, você automaticamente sabe que a outra partícula tem spin para baixo, sem precisar medi-la.
No caso da gravidade clássica, por outro lado, esta correlação torna-se mais fraca. É uma questão de probabilidade – meça o spin de outra partícula em experimentos repetidos, e ela não cairá com tanta frequência quanto a gravidade quântica atua no emaranhamento.
Atualmente, o trabalho de Aziz e Haar e os experimentos mentais originais de Feynman são artigos matemáticos. Este experimento poderia ser realizado na vida real?
“Se você pode fazer isso, ainda é uma questão em aberto”, disse Haar. “Não há nada que diga que não se pode fazer isto em teoria, e pessoas no Reino Unido, na Áustria e noutros lugares estão a trabalhar nisso, mas é preciso eliminar toda a decoerência (a coisa que causa o colapso da superposição), o que é um desafio extremamente difícil.”
Mesmo que a gravidade seja quântica – e nem todos pensam que necessariamente o seja, como Jonathan Oppenheim, da University College London, que em 2023 publicou um modelo que combinava a relatividade geral clássica com a teoria quântica de campos – a descoberta de Aziz e Haar pode dizer-nos algo novo sobre como a gravidade clássica se comporta.
Haar também previu que haveria resistência às ideias da equipe. “Não sei se todos concordam com o nosso ponto de vista!” ele disse. No entanto, ele está otimista de que nas próximas décadas o experimento de Feynman possa finalmente ser realizado e fornecer um teste real para saber se a gravidade quântica é real.
A pesquisa de Aziz e Harr foi publicada na revista em 22 de outubro natureza.
