Novo experimento demonstra coerência entre a gravidade de Einstein e a física quântica

Avanço na compreensão da gravidade e da mecânica quântica

Um novo estudo publicado em Science Advances demonstra que um princípio fundamental da teoria da gravidade de Albert Einstein continua sendo válido ao analisar o comportamento da matéria no âmbito quântico.

A investigação foi coordenada pela Universidade Ben-Gurión (Israel) e conta entre seus autores o prêmio Nobel de Física Roger Penrose da Universidade de Oxford (Reino Unido).

Duas teorias em busca de convergência

A mecânica quântica explica o comportamento dos átomos e objetos minúsculos, enquanto a teoria geral da relatividade de Einstein descreve a gravidade e o movimento dos corpos. A teoria de Einstein fundamenta-se no princípio de equivalência, o qual foi verificado com grande precisão em corpos de grande tamanho, mas os físicos ainda buscam compreender completamente como ambas as teorias se vinculam.

A equipe realizou um experimento para investigar o ponto de encontro entre essas duas teorias, observando mudanças características nas propriedades quânticas dos átomos conforme caíam sob a influência da gravidade.

Resultados do experimento

O efeito medido coincide com as predições que se obtêm ao aplicar o princípio de equivalência de Einstein a um objeto quântico. Conforme explicam os autores, embora os resultados não unifiquem a mecânica quântica e a gravidade, nem demonstrem que a gravidade em si seja quântica, estabelecem que o princípio de equivalência de Einstein permanece coerente com a mecânica quântica no regime analisado.

Vlatko Vedral, da Universidade de Oxford e um dos signatários do artigo, apontou que este experimento leva

"a mecânica quântica a uma de suas fronteiras mais intrigantes, a gravidade, e demonstra, uma vez mais, que suas predições se cumprem".

O princípio de equivalência

O princípio de equivalência de Einstein estabelece que para um observador em queda livre, a gravidade deveria desaparecer localmente. Por exemplo, uma pessoa que caísse livremente dentro de um elevador experimentaria imponderabilidade. Os pesquisadores decidiram verificar experimentalmente este princípio utilizando objetos quânticos, que podem comportar-se como ondas ou partículas e, na prática, deslocar-se por múltiplas trajetórias simultaneamente.

O Interferômetro Quântico de Galileo

O núcleo do experimento é um aparelho inovador que os pesquisadores denominam Interferômetro Quântico de Galileo, que permite dividir a onda quântica associada a um átomo em duas trajetórias distintas. Uma trajetória mantinha-se fixa enquanto a outra era deixada em queda livre. Posteriormente, ambas as trajetórias voltavam a unir-se para observar como a gravidade havia modificado a onda em queda.

Metodologia experimental

O experimento utilizou nuvens de átomos de rubídio resfriados a uma temperatura ligeiramente superior ao zero absoluto, manipulados próximo à superfície de um chip atômico especialmente projetado. Uma porção da onda mantinha-se imóvel em relação ao laboratório e à Terra, enquanto a outra era impulsionada para cima por meio de um pulso magnético controlado, permitindo que caísse livremente sob a influência da gravidade.

Ao finalizar a queda, os pesquisadores utilizaram outro pulso para reunir as duas partes que interferiram entre si, o que permitiu medir a minúscula diferença na fase quântica acumulada durante o processo.

Conexão experimental estabelecida

A fase medida no novo experimento é idêntica à prevista ao aplicar o princípio de Einstein a uma onda quântica deste tipo. Este resultado estabelece uma conexão experimental entre a física quântica e a teoria da gravidade, contribuindo para a compreensão de como esses dois pilares da física moderna se relacionam em escalas onde a mecânica quântica é relevante.