Princípio-chave de Einstein sobrevive a teste quântico

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Equivalência da gravidade, a aceleração se aplica até mesmo para átomos em superposição de estados de energia.

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EINSTEIN RESISTE. De acordo com a teoria da relatividade geral de Einstein, objetos massivos deformam o espaço (ilustrado acima), produzindo atração gravitacional. Os cientistas não entendem como a relatividade geral se relaciona com a mecânica quântica, mas um pilar da relatividade geral, o princípio da equivalência, resistiu a um novo teste quântico. Crédito: posteriori/Shutterstock.

Artigo traduzido de Science News. Autor: Emily Conover.

Partículas com propriedades quânticas intrigantes ainda seguem uma regra gravitacional padrão, pelo menos até onde os cientistas podem dizer.

O princípio da equivalência – um dos princípios fundamentais da teoria da gravidade de Einstein – sobreviveu a um teste quântico, relatam os cientistas on-line em 7 de abril no arXiv.org.

Na teoria da gravidade de Einstein – a teoria da relatividade geral -gravidade e aceleração são dois lados de uma mesma moeda. De acordo com o princípio da equivalência, a massa gravitacional de um objeto, que determina a força da atração da gravidade, é igual à sua massa inercial, que determina o quanto um objeto acelera quando é dado um impulso. Como resultado, dois objetos caindo na superfície da Terra devem acelerar ao mesmo ritmo (negligenciando a resistência do ar), mesmo que tenham massas diferentes ou sejam feitos de materiais diferentes.

Um dos primeiros testes relatados do princípio de equivalência – bem antes de ser entendido no contexto da relatividade geral – foi o experimento apócrifo de Galileu, no qual ele teria deixado cair pesos da Torre Inclinada de Pisa. Desde então, os cientistas adaptaram esse teste a escalas menores, trocando os pesos pelos átomos. No novo estudo, os físicos foram um passo adiante, colocando os átomos em uma superposição quântica, uma espécie de limbo onde um átomo não tem uma energia definida, mas ocupa uma combinação de dois níveis de energia.

Manipulando átomos de rubídio com lasers, cientistas liderados por pesquisadores da Itália deram aos átomos um impulso para cima e observaram como a gravidade os puxava para baixo. Para comparar a aceleração de átomos normais com aqueles em uma superposição, os cientistas dividiram os átomos em duas nuvens, colocaram os átomos em uma nuvem em uma superposição, e mediram como as nuvens interagiram. Estas nuvens de átomos comportam-se como ondas, interferindo de forma semelhante à fusão de ondas de água. As ondulações resultantes dependem da aceleração gravitacional sentida pelos átomos.

Os cientistas então compararam o resultado deste teste com um onde ambas as nuvens estavam em um estado de energia normal. A gravidade, concluíram os pesquisadores, puxou os átomos em uma superposição ao mesmo ritmo que os outros – pelo menos até o nível de sensibilidade que os cientistas conseguiram analisar, dentro de 5 partes em 100 milhões.

Os testes quânticos do princípio da equivalência exploram o reino obscuro onde a mecânica quântica e a relatividade geral se encontram. As duas teorias não se dão bem uma com a outra. Os cientistas estão atualmente lutando para unifica-las em uma teoria da gravidade quântica, e algumas candidatas preveem que o princípio de equivalência quebra no nível quântico.

O teste “é uma nova maneira de confrontar a gravidade com a física quântica”, diz o físico teórico Robert Mann, da Universidade de Waterloo, no Canadá. “Qualquer maneira que possamos fazer isso nos diz algo sobre como unir a gravidade com a física quântica”, mesmo que o teste não encontre nenhuma violação, diz ele.

Guglielmo Tino, co-autor do estudo e físico da Universidade de Florença, se recusou a comentar o trabalho devido às políticas da revista onde o artigo foi aceito.

Os cientistas já testaram o princípio de equivalência em átomos, comparando os efeitos da gravidade em diferentes tipos de átomos, por exemplo. Como esses testes lidam com partículas minúsculas, eles também exploram o território nebuloso entre a física quântica e a relatividade geral. Mas o novo teste é o primeiro a estudar a superposição, uma das propriedades mais estranhas da mecânica quântica.

“É uma bela demonstração da versatilidade desses testes quânticos”, diz o físico Ernst Rasel, da Leibniz Universität Hannover, na Alemanha.

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