Resumo interno:
- Os pesquisadores estão explorando o potencial de detecção de grávitons usando tecnologia de detecção quântica na esperança de vincular a mecânica quântica à teoria da relatividade de Einstein.
- Sensores quânticos avançados, como os usados no LIGO, detectam ondas gravitacionais superando o ruído quântico por meio de técnicas como “compressão”. Esses instrumentos também podem apoiar a detecção de grávitons, fornecendo uma maneira mais precisa de medir distúrbios gravitacionais em ambientes de laboratório.
- Embora persistam desafios técnicos e filosóficos, o progresso na detecção quântica pode colmatar a lacuna entre a mecânica quântica e a teoria da gravidade, e fornecer novos conhecimentos sobre coisas como os buracos negros e o Big Bang.
Embora cada um tenha a importante tarefa de descrever numericamente a nossa realidade, a gravidade e a mecânica quântica tendem a misturar-se como óleo e água – há muito que apresentam um grande desafio de convergência no domínio da física. A teoria geral da relatividade de Albert Einstein, desenvolvida em 1915, descreve a gravidade como a curvatura do espaço-tempo. Em contraste, a mecânica quântica sugere que a energia é dirigida por partículas.
Assim, o conceito de gráviton – teoricamente, a partícula responsável pela gravidade – há muito ocupa a imaginação dos físicos. Com o avanço da tecnologia de detecção quântica, a detecção do gráviton pode não ser tão possível como se pensava anteriormente. Se tivermos sucesso, poderemos confirmar a natureza quântica da gravidade, semelhante à medição da luz que levou à descoberta dos fótons.
Conforme mencionado em um artigo recente da Quanta Magazine, o físico Freeman Dyson observou que mesmo um detector do tamanho da Terra orbitando o Sol detectaria apenas alguns grávitons ao longo de bilhões de anos. No entanto, conforme observado no artigo, combinando avanços na detecção de ondas gravitacionais com tecnologia quântica, os pesquisadores sugerem que, com a configuração correta, podemos detectar assinaturas gravitacionais combinadas com grávitons em ambientes de laboratório durante a nossa vida.
LIGO e ruído quântico
Tecnologias de detecção quântica, como as do Observatório de Ondas Gravitacionais com Interferômetro Laser, já nos ajudaram a detectar ondas gravitacionais – ondulações na estrutura do espaço-tempo causadas por eventos cósmicos massivos, como a colisão de buracos negros. Conforme descrito num artigo recente do MIT, tais eventos “esticam e comprimem” o espaço-tempo numa escala de minutos, detectados por lasers que o LIGO salta entre espelhos nos seus braços de 4 km.
No entanto, o ruído quântico – flutuações aleatórias de partículas que aparecem e desaparecem espontaneamente no vácuo – limita a sensibilidade do LIGO. Para combater isto, os cientistas desenvolveram uma técnica chamada “compressão”, que reduz o ruído sacrificando a precisão numa área, como a intensidade da luz, para ganhar precisão noutra, como a frequência.
Apesar desta tentativa de demonstração da detecção de ondas gravitacionais, a detecção de um único gráviton ainda está por ser feita. Matematicamente, grandes ressonadores quânticos resfriados ao zero absoluto podem, em teoria, receber um único gráviton à medida que as ondas gravitacionais colidem com eles. Se configurada corretamente, uma pequena onda gravitacional que passa poderia causar uma perturbação mensurável no multiplicador de som – um fenômeno que poderia eventualmente fechar a lacuna entre a física quântica e a gravidade.
Grávitons e detecção quântica: como pode funcionar
Embora os grávitons estejam há muito tempo escondidos atrás de um véu de mistério, um estudo recente publicado na Nature Communications revela uma estrutura experimental que sugere que encontrar um único gráviton pode estar ao nosso alcance.
A configuração proposta gira em torno de um ressonador acústico quântico – um dispositivo que pode detectar mudanças sutis nos estados de energia, ou “saltos quânticos”. Este ressonador, concebido como uma massa de material em forma de barra, como berílio ou alumínio, será resfriado até seu estado fundamental quântico, uma temperatura próxima do zero absoluto, para minimizar a interferência com outras partículas.
Segundo a pesquisa, a chave é usar as ondas gravitacionais, a perturbação do próprio espaço-tempo, como fonte de estimulação do ressonador. Quando um gráviton interage com um ressonador, ele pode fazer com que o ressonador faça a transição do seu estado fundamental para um estado excitado, o que indicaria a absorção do gráviton.
Este estudo destaca alguns avanços tecnológicos que tornam esta ambiciosa experiência plausível. Os sensores quânticos modernos agora permitem aos pesquisadores manter o controle sobre o estado quântico de grandes objetos e monitorar continuamente as mudanças de energia em tempo real. Ao projetar um ressonador de alta precisão, eles esperam detectar até mesmo as menores alterações de energia causadas pela interação de um único gráviton.
Um dos principais obstáculos, entretanto, é o ruído quântico, onde flutuações aleatórias perturbam os estados quânticos do ressonador. Para superar isso, a equipe utiliza métodos de detecção contínua que permitem medições não destrutivas dos níveis de potência do ressonador. Ao rastrear estes níveis e correlacioná-los com eventos de ondas gravitacionais detectados por instalações como o LIGO, eles esperam isolar as mudanças causadas por grávitons individuais.
Superando Desafios Práticos
Apesar da força desta proposta, permanecem desafios práticos. Resfriar o ressonador no solo não é uma tarefa fácil e o ruído quente pode imitar os sinais que queremos receber. Além disso, a infraestrutura existente do LIGO pode suportar estes novos detectores, correlacionando eventos detectados com ondas gravitacionais antigas para confirmar eventos grávitons. Contudo, o monitoramento contínuo dos níveis de potência sem interromper a interação ainda é um desafio técnico.
Além dos obstáculos técnicos, permanece um obstáculo filosófico: a descoberta de um único gráviton não confirmará totalmente a natureza da gravidade. Segundo destaque da Nature Research, o experimento mostrará evidências de troca de energia associada ao gráviton sem comprovar a natureza precisa do quantum quântico. Portanto, embora a detecção de um único gráviton possa servir como prova de conceito, mais experimentos serão necessários para esclarecer o nosso entendimento.
Sensoriamento Quântico e a Mística da Gravidade
Independentemente de vermos ou não as teorias da existência de grávitons se concretizarem, o caminho para a descoberta do gráviton serve como um exemplo de como os avanços na tecnologia quântica podem complementar nossa busca por respostas para questões de longa data na física. . A detecção de grávitons é apenas uma aplicação possível. Técnicas como compressão e sensores quânticos avançados podem revelar ondas gravitacionais que não são detectadas atualmente.
Além da gravidade, combinar a mecânica quântica com a teoria da gravidade também pode nos ajudar a compreender fenômenos cósmicos como os buracos negros e o Big Bang em um nível fundamental. No entanto, os físicos permanecem cautelosamente otimistas. Ainda temos um longo caminho a percorrer para desenvolver tecnologias maduras de detecção quântica, mas, à medida que o fazemos, a fronteira entre os mundos da mecânica quântica e da relatividade está se tornando cada vez mais tênue.
