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A teoria da relatividade funciona bem quando você quer explicar fenômenos em escala cósmica – como as ondas gravitacionais criadas quando os buracos negros colidem. A teoria quântica funciona bem ao descrever fenômenos em escala de partícula – como o comportamento de elétrons individuais em um átomo. Mas combinar os dois de uma maneira completamente satisfatória ainda não foi alcançado. A busca por uma “teoria quântica da gravidade” é considerada uma das importantes tarefas não resolvidas da ciência.
Isso ocorre em parte porque a matemática nesse campo é altamente complicada. Ao mesmo tempo, é difícil realizar experimentos adequados: seria preciso criar situações em que fenômenos da teoria da relatividade desempenhassem um papel importante, por exemplo, um espaço-tempo curvado por massas pesadas e, ao mesmo tempo, efeitos quânticos tornam-se visíveis, por exemplo, a partícula dupla e a natureza ondulatória da luz.
Na TU Wien em Viena, Áustria, uma nova abordagem foi desenvolvida para esse propósito: Um chamado “simulador quântico” é usado para chegar ao fundo de tais questões: Em vez de investigar diretamente o sistema de interesse (ou seja, quantum partículas no espaço-tempo curvo), cria-se um “sistema modelo” a partir do qual se pode aprender algo sobre o sistema de interesse real por analogia. Os pesquisadores agora mostraram que este simulador quântico funciona de maneira excelente. As descobertas desta colaboração internacional envolvendo físicos da Universidade de Creta, Nanyang Technological University e FU Berlin estão agora publicadas na revista científica Anais da Academia Nacional de Ciências dos Estados Unidos (PNAS).
Aprender de um sistema sobre outro
A ideia básica por trás do simulador quântico é simples: muitos sistemas físicos são semelhantes. Mesmo que sejam tipos totalmente diferentes de partículas ou sistemas físicos em escalas diferentes que, à primeira vista, pouco têm a ver uns com os outros, esses sistemas podem obedecer às mesmas leis e equações em um nível mais profundo. Isso significa que se pode aprender algo sobre um determinado sistema estudando outro.
“Pegamos um sistema quântico que sabemos que podemos controlar e ajustar muito bem em experimentos”, diz o Prof. Jörg Schmiedmayer do Instituto Atômico da TU Wien. “No nosso caso, são nuvens atômicas ultrafrias mantidas e manipuladas por um chip atômico com campos eletromagnéticos.” Suponha que você ajuste adequadamente essas nuvens atômicas para que suas propriedades possam ser traduzidas em outro sistema quântico. Nesse caso, você pode aprender algo sobre o outro sistema a partir da medição do sistema de modelo de nuvem atômica – assim como você pode aprender algo sobre a oscilação de um pêndulo a partir da oscilação de uma massa presa a uma mola de metal: Eles são dois sistemas físicos diferentes, mas um pode ser traduzido no outro.
O efeito de lente gravitacional
“Agora conseguimos mostrar que podemos produzir efeitos dessa maneira que podem ser usados para se assemelhar à curvatura do espaço-tempo”, diz Mohammadamin Tajik, do Centro de Viena para Ciência e Tecnologia Quântica (VCQ) – TU Wien, primeiro autor do papel atual. No vácuo, a luz se propaga ao longo do chamado “cone de luz”. A velocidade da luz é constante; em tempos iguais, a luz viaja a mesma distância em cada direção. No entanto, se a luz for influenciada por massas pesadas, como a gravidade do sol, esses cones de luz são dobrados. Os caminhos da luz não são mais perfeitamente retos em espaços-tempos curvos. Isso é chamado de “efeito de lente gravitacional”.
O mesmo pode agora ser mostrado em nuvens atômicas. Em vez da velocidade da luz, examina-se a velocidade do som. “Agora temos um sistema no qual existe um efeito que corresponde à curvatura do espaço-tempo ou à lente gravitacional, mas, ao mesmo tempo, é um sistema quântico que pode ser descrito com as teorias quânticas de campo”, diz Mohammadamin Tajik. “Com isso, temos uma ferramenta completamente nova para estudar a conexão entre a relatividade e a teoria quântica”.
Um sistema modelo para a gravidade quântica
Os experimentos mostram que a forma de cones de luz, efeitos de lentes, reflexões e outros fenômenos podem ser demonstrados nessas nuvens atômicas exatamente como esperado em sistemas cósmicos relativísticos. Isso não é interessante apenas para gerar novos dados para pesquisa teórica básica – a física do estado sólido e a busca por novos materiais também encontram questões que têm uma estrutura semelhante e podem, portanto, ser respondidas por tais experimentos.
“Agora queremos controlar melhor essas nuvens atômicas para determinar dados ainda mais abrangentes. Por exemplo, as interações entre as partículas ainda podem ser alteradas de maneira muito direcionada”, explica Jörg Schmiedmayer. Dessa forma, o simulador quântico pode recriar situações físicas tão complicadas que não podem ser calculadas nem mesmo com supercomputadores.
O simulador quântico torna-se assim uma nova fonte adicional de informação para a pesquisa quântica – além de cálculos teóricos, simulações de computador e experimentos diretos. Ao estudar as nuvens atômicas, a equipe de pesquisa espera encontrar novos fenômenos que podem ser totalmente desconhecidos até agora, mas que também ocorrem em escala cósmica e relativística – mas sem um olhar para partículas minúsculas, eles nunca poderiam ter sido descoberto.
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