Cientistas observaram diretamente, pela primeira vez, um efeito gravitacional previsto pela teoria de Albert Einstein em um objeto quântico em queda. O experimento mostrou que um dos princípios fundamentais da teoria da gravidade continua compatível com a mecânica quântica nas condições testadas.

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A pesquisa foi realizada por uma equipe internacional liderada por cientistas da Universidade Ben-Gurion do Negev, da Universidade de Ulm e da Universidade de Oxford, com participação do físico vencedor do Nobel Sir Roger Penrose. O estudo foi publicado na revista Science Advances em 2 de setembro.

O resultado é importante porque a física moderna é sustentada por duas estruturas extremamente bem-sucedidas, mas que ainda não foram completamente unificadas: a mecânica quântica, que descreve o comportamento de átomos e outras partículas muito pequenas, e a teoria de Einstein, que explica a gravidade, a queda dos corpos e a estrutura do Universo em grande escala.

O novo experimento investigou justamente uma região em que essas duas descrições se encontram.

Como o experimento funcionou

• Para realizar o teste, os pesquisadores construíram um equipamento chamado Interferômetro Quântico de Galileu. O dispositivo permitiu dividir a onda quântica associada a um átomo em dois caminhos diferentes;
• Uma das partes da onda foi mantida praticamente parada em relação ao laboratório e à Terra, enquanto a outra foi deixada cair livremente sob a ação da gravidade. Depois, os dois caminhos foram reunidos para que os pesquisadores pudessem medir a pequena diferença acumulada durante o movimento;
• O experimento utilizou nuvens de átomos de rubídio resfriados a temperaturas próximas do zero absoluto. Os átomos foram manipulados nas proximidades da superfície de um chip especialmente desenvolvido para o experimento;
• Primeiro, pulsos de micro-ondas colocaram os átomos em uma superposição quântica, permitindo que cada um deles seguisse efetivamente dois caminhos ao mesmo tempo;
• Pequenos fios elétricos instalados no chip produziram campos magnéticos cuidadosamente controlados. Uma das partes da onda atômica interagiu com esse campo, gerando uma força para cima capaz de equilibrar precisamente a ação da gravidade. Essa parte permaneceu estacionária em relação ao laboratório;
• A outra parte recebeu um pulso magnético controlado e passou a ficar praticamente livre da influência do campo magnético. Com isso, ela pôde se mover sob a ação da gravidade em uma trajetória semelhante à de uma bola lançada para o alto;
• Depois da queda, outro pulso magnético reuniu as duas partes da onda. A interferência entre elas permitiu medir uma diferença extremamente pequena na fase quântica acumulada enquanto uma parte caía e a outra permanecia parada.

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A fase quântica medida no experimento coincidiu com a previsão obtida quando o princípio da equivalência de Einstein é aplicado a esse tipo de onda quântica.

O princípio da equivalência estabelece, de forma simplificada, que a gravidade deve desaparecer localmente para um observador em queda livre. É o que explica, por exemplo, a sensação de ausência de peso de uma pessoa dentro de um elevador em queda livre.

Esse princípio já foi confirmado com enorme precisão usando matéria comum. O desafio era testá-lo diretamente em objetos quânticos, que podem apresentar comportamento ondulatório e seguir mais de um caminho simultaneamente.

Segundo os pesquisadores, experimentos anteriores já haviam utilizado partículas quânticas para medir a gravidade. O diferencial do novo trabalho é ter realizado a primeira medição direta da fase quântica prevista para um objeto em queda livre.

“Este é um artigo único porque combina um experimento difícil com uma interpretação teórica de longo alcance sobre uma das questões mais fundamentais da física: como a gravidade, descrita pela teoria de Einstein, e a teoria quântica podem ser unificadas em uma compreensão do Universo?”, afirmou Ron Folman, autor principal do estudo.

Vlatko Vedral, professor da Universidade de Oxford e coautor da pesquisa, destacou que o experimento levou a mecânica quântica a uma das suas fronteiras mais intrigantes.

Descoberta não prova que a gravidade é quântica

Apesar da importância do resultado, os próprios pesquisadores fazem questão de estabelecer os limites da descoberta.

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O experimento não produziu uma teoria unificada da mecânica quântica e da gravidade e também não demonstrou que a gravidade em si seja quântica. O que os pesquisadores mostraram é que o princípio da equivalência de Einstein permanece compatível com a mecânica quântica dentro da faixa de condições investigada.

O resultado também não elimina uma hipótese defendida por Roger Penrose. O físico argumenta que a mecânica quântica poderia eventualmente deixar de funcionar quando objetos suficientemente massivos permanecessem em estados de superposição por períodos suficientemente longos.

O experimento atual não envolveu objetos com massa suficiente nem superposições duradouras o bastante para testar essa possibilidade.

Ainda assim, a equipe pretende ampliar a técnica para objetos mais pesados, incluindo nanodiamantes. Experimentos com esse objetivo já estão em andamento no mesmo grupo da Universidade Ben-Gurion do Negev.

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A pesquisa reúne cientistas da Universidade Ben-Gurion do Negev, Universidade de Oxford, Universidade de Southampton, Centro Aeroespacial Alemão, Instituto de Tecnologias Quânticas de Ulm, Universidade de Ulm e Texas A&M University.

Rodrigo Mozelli

Rodrigo Mozelli é jornalista formado pela Universidade Metodista de São Paulo (UMESP) e, atualmente, é redator do Olhar Digital.

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