Pêndulo minúsculo pode revelar segredos da gravidade

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A gravidade é, no fundo, um mistério. Sim, podemos falar sobre a curvatura do espaço-tempo e talvez fazer analogias com folhas de borracha esticadas. Mas não sabemos por que a massa faz com que o espaço-tempo se curve.

Em outras palavras, em nossa teoria da gravidade, a matéria é o cenário e o espaço-tempo é a equipe de elenco e de palco. Mas o comportamento da matéria é descrito pela mecânica quântica, que toma espaço e tempo como dados. Para a mecânica quântica, espaço e tempo são o estágio em que a matéria apresenta o melhor show de todos os tempos. Como podemos colocar essas duas teorias em apenas uma peça?

Talvez seja por isso que as duas teorias simplesmente não se desenvolvem – nenhum programa pode ter dois atores principais, certo? Podemos finalmente descobrir graças a uma novo dispositivo experimental isso pode possibilitar que a mecânica quântica e a gravidade desempenhem papéis de liderança.

Unindo a gravidade e a mecânica quântica

Os físicos pensam que deve ser possível unir a gravidade e a mecânica quântica: uma teoria comum a partir da qual flui a doce seiva da mecânica quântica e o néctar levemente perturbador da relatividade geral. O problema é que as teorias são construídas sobre dados e temos muito poucos dados sobre como a mecânica quântica é modificada pela gravidade (ou vice-versa).

Observações da mecânica quântica e da gravidade sendo simultaneamente importantes são difíceis por causa da escala. Quando as forças que governam a mecânica quântica são importantes, a gravidade é incrivelmente fraca. No outro extremo da escala, a gravidade domina longas distâncias, enquanto os efeitos quânticos desaparecem inteiramente a essas distâncias. Pode ser que o único horizonte de eventos de um buraco negro forneça um experimento natural em que você possa observar a mecânica quântica trabalhando ao lado da gravidade. Felizmente, não existem buracos negros próximos que nos permitam fazer observações detalhadas.

A alternativa é criar nosso próprio hardware, onde podemos observar diretamente o comportamento quântico sendo modificado pela gravidade. Além das dificuldades técnicas, isso também tem uma desvantagem: os efeitos gravitacionais serão de natureza newtoniana e provavelmente sujeitos aos caprichos da distribuição de massa da Terra. Serão necessárias algumas modelagens de primeira classe para mostrar que qualquer desvio observado das previsões é devido à nova física. No entanto, os pesquisadores estão construindo experimentos que podem pelo menos fornecer dados.

Shh, pêndulos oscilantes

Como obtemos esses dados? Essencialmente, precisamos de um objeto gigante e maciço que também tenha efeitos observáveis ​​em um sistema quântico. É exatamente isso que os pesquisadores estão a caminho da criação. É um pêndulo, mas não qualquer pêndulo.

Um pêndulo comum – uma massa em uma corda – diminui rapidamente até parar, se não receberem mais energia. Mesmo no vácuo, a corda do pêndulo se dobra e flexiona, dissipando seu momento. Da mesma forma, as conexões entre a corda e a massa, e a corda e a estrutura de suporte também dobrarão e flexionarão. Essas imperfeições não apenas absorvem energia do movimento de rotação, mas também devolvem, geralmente na hora errada, deslocando o movimento de rotação do pêndulo. O resultado é que o movimento do pêndulo não é perfeitamente previsível. Essas imperfeições podem ser incrivelmente pequenas, mas são suficientes para eliminar a influência da mecânica quântica.

Para fazer um pêndulo quase perfeito, os pesquisadores soldaram um pequeno disco de silicone (3 mm de diâmetro) em uma fibra de vidro fina, que foi soldada em um grande bloco de vidro. O processo de trefilação de fibras e as soldas foram as etapas críticas. Ao prestar atenção em como a fibra é puxada, os pesquisadores conseguiram criar uma fibra de 5 cm de comprimento e 1 µm de diâmetro, altamente uniforme. As soldas (em oposição à cola ou fixação) fornecem o tipo de fixação rígida que não flexiona muito. Para se ter uma idéia de quão bom é esse pêndulo, uma vez acionado, ele ainda estava em movimento 15 horas depois, sem energia adicional. Se tivesse sido colado e fixado, esse tempo seria de apenas duas a três horas.

Dispare o canhão de fótons

O próprio pêndulo não é um objeto quântico. Mas está operando na interface em que a gravidade e a mecânica quântica podem jogar juntas. O movimento natural do pêndulo é dado pelas leis da gravidade (gravidade newtoniana, neste caso). Mas o disco de silício é um excelente espelho: pode ser empurrado pela luz.

A idéia básica é que, à medida que o espelho oscila, ele também colide com fótons e os reflete. Esse reflexo dá um chute no espelho. Se o espelho estiver se movendo em direção à luz que entra, o chute diminui a velocidade; se o espelho estiver se afastando da luz que entra, o chute acelerará. Isso é observável apenas para osciladores mecânicos muito limpos, como o que os pesquisadores construíram.

A mecânica quântica dessas interações é muito bem compreendida e as medidas são muito precisas. As propriedades do oscilador são dadas por gravidade, portanto, quaisquer desvios posso atribuível a desvios da gravidade newtoniana. Como eu disse acima, no entanto, isso vai precisar de uma modelagem muito boa dos aspectos quânticos e gravitacionais de todo o sistema.

Nos próximos anos, os pesquisadores desenvolverão a configuração óptica para permitir que eles dirijam e medam o pêndulo com lasers de alta precisão. Depois disso, a verdadeira diversão começará, e podemos ver o fóton em ascensão conhecer o graviton em queda.

Cartas de Revisão Física, 2020, DOI: 10.1103 / PhysRevLett.124.221102 (Sobre os DOIs)

Fonte: Ars Technica