As partículas quânticas podem imitar ondas gravitacionais?

Quando dois buracos negros colidem, o espaço e o tempo tremem e a energia se espalha como ondulações em um lago. Essas ondas gravitacionais, previstas por Einstein em 1916, foram observadas pela primeira vez pelo telescópio Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) em setembro de 2015.

Observar ondas gravitacionais é um feito de engenharia incrivelmente complicado: para detectar uma onda gravitacional do tamanho do sistema solar, é preciso medir mudanças no comprimento menores que o diâmetro de um núcleo atômico.

Mas agora, pesquisadores do Instituto de Ciência e Tecnologia de Okinawa (OIST), da Universidade de Tohoku e da Universidade de Tóquio propuseram um método para simular ondas gravitacionais na bancada do laboratório por meio do condensado quântico de átomos frios.

Os cientistas são todos membros atuais ou anteriores da Unidade de Teoria da Matéria Quântica do OIST, e suas descobertas foram publicadas na revista Revisão Física Bonde o artigo foi selecionado como escolha do Editor.

“A teoria da relatividade geral de Einstein mudou a maneira como pensamos sobre espaço e tempo”, relata o professor Nic Shannon, autor sênior do estudo e chefe da unidade. “Ela nos ensinou que o espaço pode se curvar para formar um buraco negro e que ele pode vibrar, criando ondas que cruzam o universo na velocidade da luz. Essas ondas gravitacionais contêm informações importantes sobre o nosso universo. O problema é que elas são muito, muito difíceis de observar.”

Para enfrentar esse desafio, cientistas construíram telescópios gigantes de ondas gravitacionais, como o LIGO nos EUA, o interferômetro Virgo na Europa e o Kamioka Gravitational Wave Detector (KAGRA) no Japão. Mas mesmo com esses instrumentos que medem muitos quilômetros de diâmetro, só conseguimos detectar ondas vindas dos eventos astronômicos mais violentos, como buracos negros colidindo.

Uma abordagem alternativa é explorar fenômenos na Terra que imitam diferentes aspectos da relatividade geral. Por acaso, a equipe percebeu que um fenômeno quântico que eles estavam estudando no contexto de ímãs e átomos frios no laboratório poderia fornecer um análogo exato de ondas gravitacionais.

“Este resultado é importante”, diz o professor Han Yan, da Universidade de Tóquio, “porque torna possível simular e estudar ondas gravitacionais em um ambiente experimental muito mais simples e usar os resultados para nos ajudar a entender ondas gravitacionais reais”.

Além de suas previsões sobre ondas gravitacionais, Einstein também previu que os bósons, um tipo de partícula quântica, poderiam, quando resfriados, existir em um estado que permite a formação do Condensado de Bose-Einstein (BEC), por meio do qual um grupo de partículas age em perfeita harmonia.

A equipe se concentrou na matéria em um tipo específico de BEC, chamado spin nematics. “Fases nemáticas estão ao nosso redor”, explica o Prof. Shannon, “nos Liquid Crystal Displays (LCDs) de nossos smartphones, tablets e televisores”. Em LCDs, pequenas moléculas em forma de bastão se alinham uniformemente e controlam o fluxo de luz na tela.

A equipe do OIST vinha estudando as versões quânticas de cristais líquidos, spin nematics, há algum tempo. Diferentemente das moléculas em LCDs, as partículas quânticas em um estado spin-nematic suportam ondas, que carregam energia pelo sistema.

“Percebemos que as propriedades das ondas no estado spin-nemático são matematicamente idênticas às das ondas gravitacionais”, diz o Prof. Shannon, “e graças ao trabalho anterior com os Professores Rico Pohle e Yutaka Akagi, soubemos como simular essas ondas.”

“Sempre fui fascinada pelo fato de podermos descrever o que parecem ser fenômenos diferentes por meio de estruturas matemáticas subjacentes muito semelhantes, e para mim essa é a parte mais bonita da física”, diz a Dra. Leilee Chojnacki, da unidade OIST e principal autora do estudo.

“Então, foi muito emocionante para mim trabalhar em dois ramos muito diferentes da física, ondas gravitacionais e a física quântica de átomos frios, e uni-los de uma forma que não havia sido explorada anteriormente.”