Um sistema de osciladores harmônicos quânticos unidimensionais. Os vários ângulos são definidos na Eq. (60). Observe que para o arranjo tridimensional mais geral as duas linhas tracejadas não se cruzarão. Crédito:Revisão Física X (2024). DOI:10.1103/PhysRevX.14.021022 A gravidade faz parte da nossa vida cotidiana. Ainda assim, a força gravitacional permanece misteriosa:até hoje não compreendemos se a sua natureza última é geométrica, como Einstein imaginou, ou governada pelas leis da mecânica quântica.
Até agora, todas as propostas experimentais para responder a esta questão basearam-se na criação do fenómeno quântico de emaranhamento entre massas macroscópicas pesadas. Mas quanto mais pesado é um objeto, mais ele tende a abandonar suas características quânticas e se tornar “clássico”, tornando incrivelmente desafiador fazer uma massa pesada se comportar como uma partícula quântica.
Em um estudo publicado na Physical Review X esta semana, investigadores de Amesterdão e Ulm propõem uma experiência que contorna estas questões.
Clássico ou quântico?
Combinar com sucesso a mecânica quântica e a física gravitacional é um dos principais desafios da ciência moderna. De um modo geral, o progresso nesta área é dificultado pelo facto de ainda não podermos realizar experiências em regimes onde os efeitos quânticos e gravitacionais sejam relevantes.
A um nível mais fundamental, como disse certa vez o prémio Nobel Roger Penrose, nem sequer sabemos se uma teoria combinada da gravidade e da mecânica quântica exigirá uma "quantização da gravidade" ou uma "gravitização da mecânica quântica".
Por outras palavras:será a gravidade fundamentalmente uma força quântica, sendo as suas propriedades determinadas nas escalas mais pequenas possíveis, ou será uma força "clássica" para a qual basta uma descrição geométrica em grande escala? Ou já é algo diferente?
Sempre pareceu que, para responder a estas questões, um papel central seria desempenhado pelo fenómeno tipicamente quântico do emaranhamento. Ludovico Lami, físico matemático da Universidade de Amsterdã e da QuSoft, diz:"A questão central, inicialmente colocada por Richard Feynman em 1957, é entender se o campo gravitacional de um objeto massivo pode entrar na chamada superposição quântica, onde ele estaria em vários estados ao mesmo tempo.
"Antes do nosso trabalho, a ideia principal para decidir experimentalmente esta questão era procurar por emaranhamento induzido gravitacionalmente - uma forma pela qual massas distantes, mas relacionadas, pudessem compartilhar informações quânticas. A existência de tal emaranhamento falsificaria a hipótese de que o campo gravitacional é puramente local e clássico."
Um ângulo diferente
O principal problema com as propostas anteriores é que objetos massivos distantes, mas relacionados – conhecidos como estados deslocalizados – são muito difíceis de criar. O objeto mais pesado para o qual a deslocalização quântica foi observada até hoje é uma molécula grande, muito mais leve do que a menor massa fonte cujo campo gravitacional foi detectado, que é pouco abaixo de 100 mg – mais de um bilhão de bilhões de vezes mais pesado. Isso afastou qualquer esperança de uma realização experimental por décadas.
No novo trabalho, Lami e os seus colegas de Amesterdão e Ulm – curiosamente, o local onde Einstein nasceu – apresentam uma possível saída para este impasse. Eles propõem um experimento que revelaria a natureza quântica da gravidade sem gerar qualquer emaranhamento.
Lami explica:"Projetamos e investigamos uma classe de experimentos envolvendo um sistema de 'osciladores harmônicos' massivos - por exemplo, pêndulos de torção, essencialmente como aquele que Cavendish usou em seu famoso experimento de 1797 para medir a intensidade da força gravitacional. Nós estabelecer limites matematicamente rigorosos em certos sinais experimentais de quantum que uma gravidade clássica local não deveria ser capaz de superar.
"Analisamos cuidadosamente os requisitos experimentais necessários para implementar a nossa proposta numa experiência real e descobrimos que, embora ainda seja necessário algum grau de progresso tecnológico, tais experiências poderão realmente estar ao nosso alcance em breve."
Uma sombra de emaranhamento
Surpreendentemente, para analisar o experimento, os pesquisadores ainda precisam do maquinário matemático da teoria do emaranhamento na ciência da informação quântica. Como isso é possível? De acordo com Lami, "A razão é que embora o emaranhado não esteja fisicamente presente, ele ainda está presente no espírito - em um sentido matemático preciso. Basta que o emaranhado pudesse ter sido gerado."
Os investigadores esperam que o seu artigo seja apenas o começo e que a sua proposta ajude a conceber experiências que possam responder à questão fundamental sobre a quantumidade da gravidade muito antes do esperado.
