Engenheiros projetam método de sensoriamento quântico viável para detectar grávitons. Entenda como a ciência pretende provar a existência da partícula de gravidade, a partícula “Impossível”.
Os pesquisadores afirmam que a viabilidade do experimento pode encontrar o sonhado elo da inconsistência entre as teorias da relatividade geral de Einstein e a mecânica quântica.
A pesquisa foi publicada a Revista Nature Communications.
Os grávitons são as hipotéticas partículas da força da gravidade. Imagem artística: Gerado pela Gemini: IA do Google
Veremos a seguir como é esse método e como os pesquisadores pretendem construir o experimento quântico que se confirmado pode abalar os pilares da física. Em texto, imagens e vídeos.
Einstein previu as ondas gravitacionais, mas a existência da partícula ‘Gráviton’ sempre foi considerada indetectável até agora. Se provarmos que a gravidade é quantizada, abrimos a porta para o controle da energia e do espaço-tempo em níveis que nem a ficção científica ousou. Estamos prestes a ver a maior descoberta do século?
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Os grávitons nunca foram detectados: Seriam blocos de construção da gravidade, assim como os átomos são os blocos de construção da matéria
Uma equipe liderada pelo professor Igor Pikovski, da Universidade Stevens, propôs recentemente um método para detectar grávitons individuais, considerados os blocos de construção quânticos da gravidade.
Eles sugerem que, com os avanços na tecnologia quântica, esse experimento poderá se tornar realidade em um futuro próximo.
“Este é um experimento fundamental que por muito tempo foi considerado impossível, mas achamos que encontramos uma maneira de realizá-lo”, diz Igor Pikovski, professor de física da Stevens e também afiliado à Universidade de Estocolmo.
Os grávitons são as hipotéticas partículas da força da gravidade. Este é o esquema do primeiro experimento do mundo projetado para detectá-los, usando barras de hélio superfluido iluminadas por laser. [Imagem: Igor Pikovski]
Pikovski liderou uma equipe composta por alunos de pós-graduação do primeiro ano, Germain Tobar e Thomas Beitel, e pelo pesquisador de pós-doutorado Sreenath Manikandan.
A gravidade simplesmente funciona. Os objetos caem, os planetas orbitam uns aos outros.
Há mais de cem anos, Einstein revolucionou nossa compreensão da gravidade, explicando-a como mudanças no espaço e no tempo. Muitos efeitos da gravidade antes inimagináveis foram agora confirmados: dilatação do tempo, ondas gravitacionais e buracos negros.
Mas há algo mais de especial na gravidade: até agora, só vimos sua versão “clássica”, enquanto todas as outras forças são explicadas pela teoria quântica.
Um dos grandes objetivos da física tem sido, há muito tempo, conectar a gravidade à mecânica quântica, mas esse problema permanece sem solução.
Em qualquer teoria quântica da gravidade, esperaríamos a existência de certas partículas individuais indivisíveis.
Os físicos batizaram essas partículas elusivas de grávitons — imagine-as como os blocos de construção da gravidade, assim como os átomos são os blocos de construção da matéria.
Em teoria, as ondas gravitacionais que frequentemente atravessam a Terra, provenientes de eventos cósmicos colossais como colisões de buracos negros, são compostas por um número enorme desses grávitons.
Detectores impressionantes como o LIGO agora podem confirmar a existência dessas ondas gravitacionais. No entanto, um gráviton jamais foi detectado na história; por muito tempo, a própria ideia de detectá-lo foi considerada impossível.
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A solução é semelhante ao efeito fotoelétrico que levou Einstein à teoria quântica da luz”, mas usa ondas gravitacionais substituindo as ondas eletromagnéticas
A equipe de Pikovski propôs uma solução que envolve acoplar a tecnologia de detecção física existente — algo chamado ressonador acústico, basicamente um cilindro pesado — e equipá-la com métodos aprimorados de detecção de estado de energia (também conhecidos como sensoriamento quântico).
“Nossa solução é semelhante ao efeito fotoelétrico que levou Einstein à teoria quântica da luz”, explica Pikovski, “só que com ondas gravitacionais substituindo as ondas eletromagnéticas.
Ondas gravitacionais que estejam passando pela Terra poderão permitir detectar grávitons individuais. [Imagem: Germain Tobar et al. – 10.1038/s41467-024-51420-8]
A chave é que a energia é trocada entre o material e as ondas apenas em etapas discretas – grávitons individuais são absorvidos e emitidos.”
Mas como detectá-los?
“Precisamos resfriar o material e, em seguida, monitorar como a energia muda em uma única etapa, e isso pode ser alcançado por meio de sensores quânticos”, diz Manikandan, pesquisador de pós-doutorado no Instituto Nórdico de Física Teórica em Estocolmo.
“Ao observarmos esses saltos quânticos no material, podemos deduzir que um gráviton foi absorvido”, acrescenta Tobar, atualmente estudante de pós-graduação na Universidade de Estocolmo. “Chamamos isso de ‘efeito gravito-fonônico’.”
Uma das inovações propostas pela equipe é utilizar os dados disponíveis do LIGO – um observatório americano com duas instalações que recentemente confirmou a existência de ondas gravitacionais.
“Os observatórios LIGO são muito bons em detectar ondas gravitacionais, mas não conseguem captar grávitons individuais”, observa Beitel, um estudante de doutorado da Stevens.
“Mas podemos usar os dados deles para fazer uma correlação cruzada com o detector que propomos e isolar grávitons individuais.”
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Primeiros passos, assim como fizeram há mais de cem anos com os quanta de luz: “Colisões cósmicas, cilindros pesados, sensores quânticos
Como a equipe de Pikovski projetou esse experimento engenhoso? Muita matemática e criatividade, além de uma grande ajuda dos recentes avanços tecnológicos.
“Muitos físicos pensaram nisso ao longo dos anos, mas a resposta era sempre a mesma: não era possível”, diz Pikovski.
“Era impossível imaginar experimentos quânticos que fossem além de alguns átomos, e eles quase não interagiam com grávitons.”
Mas o jogo mudou: recentemente, os cientistas começaram a criar e observar efeitos quânticos em objetos macroscópicos. Pikovski percebeu que esses objetos quânticos macroscópicos são ideais para detectar assinaturas de grávitons individuais:
Eles interagem muito mais fortemente com a gravidade, e podemos detectar como esses objetos absorvem e emitem energia em etapas discretas.
Já conseguimos detectar um análogo do gráviton, reacendendo o interesse na física de partículas. [Imagem: Jiehui Liang et al. – 10.1038/s41586-024-07201-w]
A equipe começou a pensar em um possível experimento.
Usando dados de ondas gravitacionais que já haviam sido medidas na Terra, como as que chegaram em 2017 da colisão de duas estrelas de nêutrons distantes do tamanho de Manhattan (mas superdensas), eles calcularam os parâmetros que otimizariam a probabilidade de absorção de um único gráviton.
“Acontece que essa medição pode ser feita”, diz Manikandan, “por exemplo, usando um dispositivo semelhante à barra Weber.”
As barras de Weber são barras cilíndricas grossas e pesadas (chegando a uma tonelada), que receberam o nome de seu inventor, Joseph Weber, natural de Nova Jersey.
Elas caíram em desuso recentemente com a proliferação de tecnologias de detecção óptica, mas seriam muito úteis para uma expedição de um físico em busca de grávitons.
Isso porque eles podem absorver e emitir grávitons — em analogia direta ao que Einstein denominou “emissão e absorção estimuladas” de fótons, os menores componentes da luz.
Um detector quântico recém-projetado seria resfriado até sua energia mais baixa e, em seguida, posto em vibração mínima pela passagem de uma onda gravitacional.
Sensores de energia supersensíveis poderiam então, teoricamente, capturar como essas vibrações mudam em etapas discretas. Cada mudança discreta (também conhecida como salto quântico) indicaria um único evento de gráviton.
É claro que capturar grávitons tem um porém. A tecnologia de detecção necessária ainda não existe.
“Recentemente, foram observados saltos quânticos em materiais, mas ainda não nas massas de que precisamos”, destaca Tobar. “Mas a tecnologia avança muito rapidamente e temos mais ideias sobre como facilitar esse processo.”
“Temos certeza de que este experimento funcionará”, entusiasma-se Thomas.
“Agora que sabemos que os grávitons podem ser detectados, isso nos motiva ainda mais a desenvolver a tecnologia de sensoriamento quântico apropriada. Com um pouco de sorte, em breve será possível capturar grávitons individuais.”
Mas, embora as novas tecnologias quânticas sejam cruciais, a inspiração para este resultado veio de outro lugar.
“Sabemos que a gravidade quântica ainda não foi solucionada e é muito difícil testá-la em toda a sua extensão”, diz Pikovski, “mas agora podemos dar os primeiros passos, assim como os cientistas fizeram há mais de cem anos com os quanta de luz.”
🔭Se provarmos que a gravidade é quantizada, abrimos a porta para o controle da energia e do espaço-tempo em níveis que nem a ficção científica ousou. Estamos prestes a ver a maior descoberta do século?
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🔭Se provarmos que a gravidade é quantizada, abrimos a porta para o controle da energia e do espaço-tempo em níveis que nem a ficção científica ousou. Estamos prestes a ver a maior descoberta do século?
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