Quando se trata de um casamento com a teoria quântica, a gravidade é a única resistência entre as quatro forças fundamentais da natureza. Os outros três - a força eletromagnética, a força fraca, que é responsável pela decadência radioativa, e a força forte, que liga nêutrons e prótons dentro do núcleo atômico - todos se fundiram com a teoria quântica para descrever com sucesso o universo na mais ínfima das escalas, onde as leis da mecânica quântica devem desempenhar um papel de liderança.

Embora a teoria da relatividade geral de Einstein, que descreve a gravidade como uma curvatura do espaço-tempo, explica uma infinidade de fenômenos gravitacionais, ele falha no mais ínfimo dos volumes - o centro de um buraco negro ou o universo em seu nascimento explosivo, quando tinha menos do que um diâmetro atômico em tamanho. É aí que a mecânica quântica deve dominar.

Ainda assim, nas últimas oito décadas, especialista após especialista, incluindo Einstein, foram incapazes de unir a teoria quântica com a gravidade. Então, a gravidade é realmente uma força quântica?

Pesquisadores do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) e seus colegas propuseram um experimento que pode ajudar a resolver a questão.

O experimento tira proveito de duas das propriedades mais estranhas da teoria quântica. Um é o princípio de superposição, que sustenta que uma partícula atômica não perturbada pode ser descrita como uma onda, com alguma probabilidade de estar em dois lugares ao mesmo tempo. Por exemplo, um átomo imperturbado viajando por uma região com duas fendas, não passa por uma ou outra das fendas, mas por ambas.

E porque o átomo é descrito por uma onda, a parte que passa por uma fenda vai interferir na parte que passa pela outra, produzindo um padrão bem conhecido de franjas claras e escuras. As franjas brilhantes correspondem a regiões onde as colinas e vales das duas ondas se alinham de forma que se juntam, criando interferência construtiva e as regiões escuras correspondem às regiões onde as colinas e vales das ondas se cancelam, criando interferência destrutiva.

A segunda propriedade quântica estranha é conhecida como emaranhamento, um fenômeno no qual duas partículas podem ser tão fortemente correlacionadas que se comportam como uma única entidade. Medir uma propriedade de uma das partículas força automaticamente a outra a ter uma propriedade complementar, mesmo que as duas partículas residam em galáxias separadas.

Em uma teoria quântica da gravidade, a atração gravitacional entre dois objetos massivos seria comunicada por uma partícula subatômica hipotética, o gráviton, da mesma forma que a interação eletromagnética entre duas partículas carregadas é comunicada por um fóton (a partícula fundamental da luz). Então, se um gráviton realmente existe, deve ser capaz de se conectar, ou emaranhado, as propriedades de dois corpos massivos, assim como um fóton pode emaranhar as propriedades de duas partículas carregadas

O experimento proposto por Jake Taylor do Joint Quantum Institute do NIST na Universidade de Maryland, junto com Daniel Carney, agora no Laboratório Nacional Lawrence Berkeley, e Holger Müller da Universidade da Califórnia, Berkeley, fornece uma maneira inteligente de testar se dois corpos massivos podem de fato ficar emaranhados pela gravidade. Eles descreveram seu trabalho em um artigo publicado online na Physical Review X Quantum em 18 de agosto de 2021.

O experimento usaria uma nuvem fria de átomos, preso dentro de um interferômetro atômico. O interferômetro tem dois braços - um braço esquerdo e um direito. De acordo com o princípio de superposição, se cada átomo da nuvem for puro, estado quântico não perturbado, pode ser descrito como uma onda ocupando os dois braços simultaneamente. Quando as duas porções da onda, um de cada braço, Recombinar, eles irão produzir um padrão de interferência que revela quaisquer mudanças em seus caminhos devido a forças como a gravidade.

Um pequeno, massa inicialmente estacionária suspensa como um pêndulo é introduzida fora do interferômetro. A massa suspensa e o átomo são atraídos gravitacionalmente. Se esse puxão gravitacional também produzir emaranhamento, como seria isso?

A massa suspensa será correlacionada com uma localização específica para o átomo - o braço direito do interferômetro ou o esquerdo. Como resultado, a massa começará a balançar para a esquerda ou para a direita. Se o átomo estiver localizado à esquerda, o pêndulo começará a oscilar para a esquerda; se o átomo está localizado à direita, o pêndulo começará a oscilar para a direita. A gravidade confundiu a posição do átomo no interferômetro com a direção em que o pêndulo começa a balançar.

A posição emaranhada significa que o pêndulo mediu efetivamente a localização do átomo, localizando-o em um determinado local dentro do interferômetro. Porque o átomo não está mais em uma superposição de estar em ambos os braços ao mesmo tempo, o padrão de interferência desaparece ou diminui.

Meio período depois, quando a massa oscilante retorna ao seu ponto inicial, ele perde toda a "memória" do emaranhado gravitacional que havia criado. Isso porque, independentemente do caminho que o pêndulo tomou - inicialmente balançando para a direita, que escolhe uma localização para o átomo no braço direito do interferômetro, ou inicialmente balançando para a esquerda, que escolhe uma localização para o átomo no braço esquerdo - ele retorna à mesma posição inicial, muito parecido com uma criança em um balanço.

E quando ele retorna à posição inicial, é igualmente provável que o pêndulo escolha uma localização para o átomo no braço esquerdo ou direito. Naquele momento, o emaranhamento entre a massa e o átomo foi apagado e o padrão de interferência atômica reapareceu.

Meio período depois disso, conforme o pêndulo oscila para um lado ou outro, o emaranhamento é restabelecido e o padrão de interferência diminui mais uma vez. Conforme o pêndulo oscila para frente e para trás, o padrão se repete - interferência, interferência diminuída, interferência. Este colapso e renascimento da interferência, os cientistas dizem, seria uma "arma fumegante" para o emaranhamento.

"É difícil para qualquer fenômeno, exceto o emaranhamento gravitacional, produzir tal ciclo, "disse Carney.

Embora o experimento ideal possa demorar uma década ou mais para ser construído, uma versão preliminar pode estar pronta em apenas alguns anos. Uma variedade de atalhos pode ser explorada para tornar as coisas mais fáceis de observar, Disse Taylor. O maior atalho é abraçar a suposição, semelhante à teoria da relatividade geral de Einstein, que não importa quando você inicia o experimento - você sempre deve obter o mesmo resultado.

Taylor observou que fontes não gravitacionais de emaranhamento quântico devem ser consideradas, o que exigirá um projeto cuidadoso e medidas para impedir.