Um experimento delineado por uma equipe de cientistas do Reino Unido e da Índia liderada pela UCL (University College London) poderia testar se massas relativamente grandes têm natureza quântica, resolvendo a questão de saber se a descrição da mecânica quântica funciona em uma escala muito maior do que a das partículas. e átomos.



A teoria quântica é normalmente vista como uma descrição da natureza nas escalas mais ínfimas, e os efeitos quânticos não foram observados em laboratório para objetos mais massivos do que cerca de um quintilionésimo de grama, ou mais precisamente 10 ^-20 g.

O novo experimento, descrito em um artigo publicado na Physical Review Letters e envolver investigadores da UCL, da Universidade de Southampton e do Instituto Bose em Calcutá, na Índia, poderia, em princípio, testar a qualidade quântica de um objecto, independentemente da sua massa ou energia.

O experimento proposto explora o princípio da mecânica quântica de que o ato de medir um objeto pode mudar sua natureza. (O termo medição abrange qualquer interação do objeto com uma sonda – por exemplo, se a luz brilha sobre ele ou se emite luz ou calor).

O experimento se concentra em um objeto semelhante a um pêndulo que oscila como uma bola em uma corda. Uma luz incide sobre metade da área de oscilação, revelando informações sobre a localização do objeto (ou seja, se a luz espalhada não for observada, então pode-se concluir que o objeto não está nessa metade). Uma segunda luz brilha, mostrando a localização do objeto mais adiante em seu balanço.

Se o objeto for quântico, a primeira medição (o primeiro flash de luz) irá perturbar o seu caminho (por colapso induzido pela medição - uma propriedade inerente à mecânica quântica), alterando a probabilidade de onde ele estará no segundo flash de luz, ao passo que se for clássico, então o ato de observação não fará diferença. Os pesquisadores podem então comparar cenários em que eles acendem uma luz duas vezes com aqueles em que ocorre apenas o segundo flash de luz para ver se há uma diferença nas distribuições finais do objeto.

Debarshi Das (UCL Física e Astronomia e Royal Society) disse:"Uma multidão em uma partida de futebol não pode afetar o resultado do jogo simplesmente olhando fortemente. Mas com a mecânica quântica, o próprio ato de observação ou medição muda o sistema."

"Nosso experimento proposto pode testar se um objeto é clássico ou quântico, verificando se um ato de observação pode levar a uma mudança em seu movimento."

A proposta, dizem os pesquisadores, poderia ser implementada com tecnologias atuais usando nanocristais ou, em princípio, até mesmo usando espelhos do LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) nos Estados Unidos que têm massa efetiva de 10kg.

Os quatro espelhos LIGO, que pesam 40 kg cada um, mas juntos vibram como se fossem um único objeto de 10 kg, já foram resfriados ao estado de energia mínima (uma fração acima do zero absoluto) que seria necessário em qualquer experimento que busca detectar comportamento quântico. .

O autor sênior, Professor Sougato Bose (UCL Física e Astronomia), disse:"Nosso esquema tem amplas implicações conceituais. Ele poderia testar se objetos relativamente grandes têm propriedades definidas, ou seja, suas propriedades são reais, mesmo quando não as estamos medindo. Poderia estender o domínio da mecânica quântica e sondar se esta teoria fundamental da natureza é válida apenas em certas escalas ou se também é válida para massas maiores.

"Se não encontrarmos um limite de massa para a mecânica quântica, isso tornará ainda mais agudo o problema de tentar reconciliar a teoria quântica com a realidade tal como a vivenciamos."

Na mecânica quântica, os objetos não possuem propriedades definidas até serem observados ou interagirem com seu ambiente. Antes da observação, eles não existem num local definido, mas podem estar em dois lugares ao mesmo tempo (um estado de superposição). Isto levou à observação de Einstein:"A lua está aí quando ninguém está olhando para ela?"

A mecânica quântica pode parecer em desacordo com a nossa experiência da realidade, mas os seus conhecimentos ajudaram o desenvolvimento de computadores, smartphones, banda larga, GPS e imagens de ressonância magnética.

A maioria dos físicos acredita que a mecânica quântica é válida em escalas maiores, mas é apenas mais difícil de observar devido ao isolamento necessário para preservar um estado quântico. Para detectar o comportamento quântico de um objeto, sua temperatura ou vibrações devem ser reduzidas ao nível mais baixo possível (seu estado fundamental) e ele deve estar no vácuo, de modo que quase nenhum átomo interaja com ele. Isso ocorre porque um estado quântico entrará em colapso, um processo chamado decoerência se o objeto interagir com seu ambiente.

O novo experimento proposto é o desenvolvimento de um teste quântico anterior desenvolvido pelo professor Bose e colegas em 2018. Um projeto para conduzir um experimento usando esta metodologia, que testará a natureza quântica de um nanocristal com um bilhão de átomos, já está em andamento, liderado pela Universidade de Southampton.

Esse projeto já visa um salto em termos de massa, com tentativas anteriores de testar a natureza quântica de um objeto macroscópico limitado a centenas de milhares de átomos. O esquema recentemente publicado, entretanto, poderia ser alcançado com as tecnologias atuais, utilizando um nanocristal com trilhões de átomos.

Mais informações: Debarshi Das et al, Mass-Independent Scheme to Test the Quantumness of a Massive Object, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.030202
Informações do diário: Cartas de revisão física

Fornecido pela University College London