Experimento mostra que não há fronteira entre mundo quântico e mundo clássico

Redação do Site Inovação Tecnológica

Este é o espelho de 40 kg que balançou depois de ser "chutado" por uma flutuação quântica.
[Imagem: Caltech/MIT/LIGO Lab]

Mundo sem fronteiras

Pode ter terminado definitivamente uma busca que os físicos empreendem há décadas - a busca pela fronteira entre a mecânica quântica e a mecânica clássica.

A busca parecia muito natural porque "devia" haver um divisor de águas que marcasse a partir de que dimensão os objetos param de funcionar como o fazem na escala humana e começam a se comportar como o fazem no mundo da física quântica.

As diferenças são muito grandes, mas alguns poucos exemplos podem dar uma ideia: Você bate na porta e sua mão impacta a madeira, que lhe oferece uma resistência, com a energia sendo transformada em um pouco de aquecimento e um som de "toc toc" - no reino quântico, as partículas simplesmente tunelam, atravessando barreiras sólidas. Você joga uma pedra no lago e a pedra afunda, gerando ondas na superfície - no reino quântico, a própria "pedra" se transforma em uma onda. E, tão logo saiu da sua mão, a pedra não sofre mais nenhuma influência sua - no reino quântico, vocês poderão ficar indissociavelmente ligados. E por aí vai.

Ocorre que pode não haver uma fronteira entre os mundos clássico e quântico - tudo o que parece haver é um campo tranquilo e contínuo. Em vez de uma muralha separando os dois reinos, tudo o que parece acontecer é que, deslizando pela escala da dimensão, as coisas vão ficando maiores e isso simplesmente as torna cada vez menos sensíveis aos efeitos quânticos.

Menos sensíveis, mas não imunes - o objeto em escala macro é pouco afetado pelo fenômeno quântico, mas ainda assim sofre os efeitos, que podem ser medidos caso você disponha de equipamentos sensíveis o suficiente.

Chute quântico

Foi isto o que demonstrou a equipe dos laboratórios LIGO, nos EUA, construídos para detectar as ondas gravitacionais. Como essas ondas criam variações espaciais minúsculas, detectá-las exigiu construir alguns dos equipamentos mais sensíveis já feitos pelo ser humano, capazes de detectar uma variação de tamanho na escala de um milésimo do diâmetro de um próton. Isso é feito monitorando o tempo que um feixe de laser leva para percorrer os longos túneis do laboratório depois de se refletir em um espelho quase perfeito.

A equipe então usou essa capacidade de medição para monitorar o espelho e ver se ele poderia ser influenciado pelo efeito das flutuações quânticas, que permeiam tudo no Universo, incluindo o vácuo.

E sim, a flutuação quântica deu um pequeno "chute" no superfície de cristal, fazendo o espelho de 40 quilogramas mover-se ligeiramente - muito pouco, é certo, mas o suficiente para que o balanço induzido espelho fosse medido.

Mais especificamente, o espelho moveu-se 10-20 metros, jogando por terra teorias que propunham que algo deveria suprimir os efeitos quânticos sobre o mundo clássico.

"Um átomo de hidrogênio tem 10-10 metros, então esse deslocamento dos espelhos está para um átomo de hidrogênio assim como um átomo de hidrogênio está para nós - e nós medimos isso," comemorou o físico Lee McCuller.

Nesse mundo de medições ultraprecisas, outro experimento recentemente parou o tempo e mudou a definição da luz.
[Imagem: University of Konstanz]

Espremedor de luz

Para fazer a medição, os pesquisadores usaram um instrumento especial que eles projetaram, chamado "espremedor quântico", para "manipular o ruído quântico do detector e reduzir seus chutes nos espelhos, de uma maneira que poderá ser usada para melhorar a sensibilidade do LIGO na detecção de ondas gravitacionais," explicou Haocun Yu, principal responsável pela medição.

"O que há de especial nesse experimento é que vimos efeitos quânticos em algo tão grande quanto um ser humano," comentou o professor Nergis Mavalvala.

"Nós também, todos os nanossegundos de nossa existência, estamos sendo chutados, afetados por essas flutuações quânticas. É apenas que o tremor da nossa existência, nossa energia térmica, é muito grande para que essas flutuações quânticas do vácuo afetem nosso movimento de maneira mensurável. Com os espelhos do LIGO, fizemos todo esse trabalho para isolá-los do movimento induzido termicamente e por outras forças, de forma que eles estão agora parados o suficiente para serem chutados pelas flutuações quânticas e por esse pipocar assustador do Universo," completou Mavalvala.

Limite quântico

Os laboratórios LIGO - são dois - têm um formato de L, com os braços formados por túneis com quatro quilômetros de extensão.

Para detectar uma onda gravitacional, um laser localizado na entrada do interferômetro envia um feixe de luz em cada túnel do detector. No fim de cada túnel há um espelho, onde o laser se reflete e retorna ao seu ponto de partida.

Na ausência de uma onda gravitacional, os lasers devem retornar no mesmo tempo exato. Se uma onda gravitacional passar, ela poderá perturbar ligeiramente a posição dos espelhos e, portanto, os tempos de chegada dos lasers. Assim, detectar a passagem de uma onda gravitacional é mais uma questão de medir diferenças de tempo do que de distância.

Ao usar luz compactada - o tal "espremedor quântico" - para reduzir o ruído quântico na medição, a equipe fez uma medição mais precisa do que o limite quântico padrão, reduzindo esse ruído de uma maneira que acabará por ajudar o LIGO a detectar fontes mais fracas e mais distantes de ondas gravitacionais.

Bibliografia:

Artigo: Quantum correlations between light and the kilogram-mass mirrors of LIGO
Autores: Haocun Yu, L. McCuller, M. Tse, N. Kijbunchoo, L. Barsotti, N. Mavalvala, LIGO Scientific Collaboration
Revista: Nature
Vol.: 583, pages 43-47
DOI: 10.1038/s41586-020-2420-8