Os cientistas do Fermilab têm conduzido experimentos para procurar flutuações quânticas de espaço e tempo na menor escala imaginável de acordo com a física conhecida. Neste limite, o comprimento de Planck, nossas noções clássicas de espaço e tempo se desintegram.

Imagine a proporção do tamanho do universo em comparação com uma partícula de poeira. É o tamanho da partícula de poeira em comparação com o comprimento de Planck, 10 ^-33 centímetros. O tempo de Planck é o tempo que a luz leva para percorrer essa distância.

A mecânica quântica nos diz que tudo está constantemente flutuando em pequenas escalas, mas os próprios tremores de espaço e tempo na escala de Planck são tão pequenos que nunca foram medidos em laboratório. Uma melhor compreensão do movimento na escala de Planck pode ajudar os físicos a responder a uma pergunta básica e importante:por que as coisas parecem acontecer em tempos e lugares definidos?

Esta propriedade de espaço-tempo, às vezes chamado simplesmente de "localidade, "é realmente muito básico. Lugares e tempos definidos devem ser do que o espaço-tempo é feito - a própria estrutura da realidade.

Há muito tempo se pensa que a escala de Planck é muito pequena para estudar em qualquer experimento, mas há cerca de 10 anos decidimos tentar mesmo assim. É possível que as incertezas quânticas da escala de Planck do espaço-tempo se acumulem ao longo do tempo que leva a luz para atravessar um experimento, assim, um efeito impossivelmente pequeno se torna apenas muito difícil - ao invés de impossível - de detectar. Então, construímos um aparelho chamado Holômetro do Fermilab para detectar flutuações muito pequenas em locais amplamente separados.

Matéria quântica e espaço-tempo:dois sistemas mundiais compartilhando uma realidade inexplicada

Um sistema quântico é qualquer coisa feita de matéria e energia, e nada nele acontece em um lugar e tempo definidos até que seja medido. O espaço-tempo parece ser exatamente o oposto:tudo acontece localmente em um lugar definido, mas suas propriedades podem ser medidas apenas não localmente, isso é, comparando o que acontece em diferentes lugares.

De alguma forma, esses dois sistemas-mundos diferentes - matéria quântica e espaço-tempo - compartilham e interagem no mesmo mundo físico real. O espaço absoluto local afeta diretamente a matéria, como qualquer um pode ver girando um pião ou experimentar ficar tonto em um carrossel. Porque a matéria é a fonte da gravidade, obviamente afeta o espaço e o tempo. Ondas gravitacionais, que são feitos de puro espaço-tempo, carregam energia e informação, mesmo através do espaço "vazio", e a matéria pode se transformar em puro espaço-tempo, na forma de buracos negros. Mas ninguém entende exatamente como as coisas quânticas se relacionam com o espaço e o tempo.

A razão pela qual é fácil esquecer o espaço-tempo quântico na vida cotidiana, e mesmo na maioria dos experimentos do Fermilab, é que não afeta nada que realmente medimos. Embora deva haver alguma incerteza quântica para o próprio espaço-tempo, torna-se fatal para a teoria padrão apenas abaixo do comprimento em que as partículas quânticas individuais formam os buracos negros. Essa é a escala minúscula que chamamos de comprimento de Planck.

O sucesso do Holômetro em não medir nada

Em uma modesta, Escala de 40 metros, o Holômetro se assemelha a detectores gigantes, como o Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory em Hanford, Washington, e Livingston, Louisiana, que são usados ​​para detectar ondas gravitacionais de objetos distantes. Como LIGO, ele usa espelhos e luz - interferômetros de laser - para medir a agitação do espaço e do tempo. No Holômetro, a luz laser e espelhos, tomados juntos como um sistema, tornar-se um objeto quântico não local com 40 metros de comprimento em uma direção e 40 metros em outra. Eles criam um sinal de saída que depende das diferenças quânticas nas posições do espelho. Podemos medir flutuações de mudanças aleatórias de posição relativa de apenas um comprimento de Planck a cada vez de Planck se elas estiverem coerentemente correlacionadas na escala do aparelho.

Publicamos os resultados de nosso primeiro experimento há vários anos. Em certo sentido, o experimento foi um grande sucesso, já que não conseguimos medir nada com uma precisão sem precedentes:com alguns tipos de tremores na escala de Planck, teríamos visto um grande efeito. Mas não encontramos tal agitação. Foi silencioso.

Contudo, esse experimento não excluiu todos os tipos de movimento flutuante no espaço-tempo. Por exemplo, porque os braços de seus interferômetros eram retos, a luz do laser não seria afetada se o aparelho tremesse com um movimento puramente rotacional:os espelhos se moveriam lateralmente em relação ao feixe em vez de ao longo dele.

Em busca de reviravoltas à escala de Planck no espaço-tempo

Na relatividade geral, a matéria giratória arrasta o espaço-tempo junto com ela. Na presença de uma massa giratória, o quadro não rotativo local, medido por um giroscópio, gira em relação ao universo distante, medida por estrelas distantes. Pode muito bem ser que o espaço-tempo quântico tenha uma incerteza da escala local de Planck, que levaria a flutuações rotacionais aleatórias ou torções que não teríamos detectado em nosso primeiro experimento, e muito pequeno para ser detectado em qualquer giroscópio normal.

Então, fizemos um novo experimento. Nós reconstruímos o aparelho em uma nova forma. Adicionamos espelhos extras para direcionar parte da luz do laser em diferentes direções, para que o sinal respondesse a tremores ou torções rotacionais coerentes.

O novo instrumento é um giroscópio incrivelmente sensível para durações muito curtas, capaz de detectar torções rotacionais muito pequenas ao longo da fração de microssegundo que a luz leva para cruzá-la. Podemos detectar tremores que mudam de direção aleatoriamente um milhão de vezes por segundo, mas isso move os lados opostos do aparelho em apenas um bilionésimo de um bilionésimo de um metro - uma velocidade muito mais lenta do que a deriva continental. Em nosso aparelho, que corresponde a torções flutuantes aleatórias de cerca de um comprimento de Planck a cada vez de Planck.

Recentemente, concluímos nosso experimento final com este Holômetro reconfigurado. Nosso resultado final é novamente sem nervosismo, que pode ser interpretado como nenhuma torção na escala de Planck, de um certo tipo, no tecido do espaço-tempo. Parece que o espaço-tempo na escala de Planck é muito silencioso.

A razão para continuar procurando esses efeitos é que talvez nunca entendamos como o espaço-tempo quântico funciona sem alguma medida para guiar a teoria. O programa Holômetro é exploratório. Nosso experimento começou apenas com teorias aproximadas para orientar seu design, e ainda não temos uma maneira única de interpretar nossos resultados nulos, uma vez que não existe uma teoria rigorosa do que estamos procurando. Os tremores são um pouco menores do que pensávamos que seriam, ou eles têm uma simetria que cria um padrão no espaço que não medimos? A nova tecnologia permitirá experiências futuras melhores do que as nossas e possivelmente nos dará algumas pistas de como o espaço e o tempo emergem de um sistema quântico mais profundo.

Recentemente, publicamos um artigo sobre nossas descobertas no arXiv.