Átomos em queda revelam mudança de fase quântica prevista pela gravidade de Einstein

Pesquisadores liderados por Ron Folman mediram diretamente uma mudança de fase quântica causada pela gravidade da Terra em átomos ultrafrios de rubídio. No chamado Interferômetro Quântico Galileu, eles compararam dois caminhos coerentes de uma mesma onda atômica: um permaneceu quase estacionário graças a um campo magnético, enquanto o outro foi lançado para cima e depois caiu livremente. Ao reunir os dois caminhos, a equipe observou um sinal de interferência compatível, dentro da precisão do experimento, com a fase prevista pelo princípio da equivalência de Einstein. 24

O que foi medido

Na mecânica quântica, partículas como átomos também são descritas por ondas. À medida que evolui, uma onda acumula uma fase — uma espécie de marcação em seu ciclo. Essa fase, isoladamente, não costuma ser observável. Mas, quando duas ondas coerentes são reunidas, a diferença entre suas fases altera o padrão de interferência.

No experimento, pulsos de micro-ondas colocaram os átomos em uma superposição de duas trajetórias nas proximidades de um chip atômico. Em uma delas, campos magnéticos compensaram a gravidade e mantiveram a onda praticamente parada no referencial do laboratório. Na outra, o átomo seguiu uma trajetória balística: subiu e, em seguida, caiu sob a ação da gravidade. Ao recombinar os caminhos, os cientistas converteram a diferença de fase gravitacional em um sinal mensurável de interferência. 24

O resultado central é que a fase observada foi consistente com a previsão do princípio da equivalência nas condições testadas. Esse princípio é um dos pilares da teoria gravitacional de Einstein e relaciona, localmente, os efeitos da gravidade aos da queda livre. 24

Por que o resultado importa

Não se trata apenas de acompanhar a trajetória clássica de um átomo em queda. O teste foi realizado em um interferômetro, no qual uma onda de matéria coerente percorre simultaneamente duas alternativas quânticas. A gravidade, nesse caso, entra como a origem da diferença de fase entre esses caminhos.

Assim, para átomos ultrafrios de rubídio no campo gravitacional fraco da Terra, a evolução quântica medida é compatível com a previsão baseada no princípio da equivalência. 24

O experimento oferece, portanto, uma ponte empírica importante entre dois campos frequentemente apresentados como difíceis de conciliar: a mecânica quântica, que descreve superposição e interferência, e a gravidade, que determina a diferença de fase ligada às trajetórias.

O que o estudo não demonstra

O resultado não unifica a mecânica quântica com a relatividade geral. Também não demonstra que a gravidade seja quantizada, não detecta grávitons e não decide de forma conclusiva se a gravidade tem natureza fundamentalmente quântica ou clássica. 23

Uma forma mais direta de investigar o caráter quântico da gravidade seria mostrar que ela pode gerar emaranhamento entre objetos massivos suficientemente isolados. Há propostas para colocar cristais de escala micrométrica em superposição espacial — possivelmente nanodiamantes com sistemas de spin incorporados — e verificar se sua interação gravitacional mútua produz emaranhamento. 34

Onde entra a hipótese de Roger Penrose

Roger Penrose propôs outra possibilidade: para um objeto suficientemente massivo em superposição espacial, as alternativas quânticas corresponderiam a diferentes geometrias do espaço-tempo, que talvez não consigam permanecer coerentes indefinidamente. Em modelos associados a Diósi e Penrose, o tempo esperado para essa perda de coerência está ligado à diferença de autoenergia gravitacional entre as distribuições de massa superpostas. 36

Essa é uma hipótese sobre um possível limite da mecânica quântica padrão — não uma conclusão do experimento com rubídio. Um átomo isolado não é o tipo de sistema massivo e espacialmente separado em que esses modelos seriam mais acessíveis a testes.

Por que objetos mais pesados são a próxima fronteira

Testes de modelos de colapso buscam criar superposições espaciais de objetos muito mais pesados do que átomos e procurar uma perda de coerência que não possa ser explicada pelo ruído comum do ambiente. Revisões sobre esses modelos apontam que superposições de objetos massivos são a estratégia mais direta, pois tais hipóteses podem proibir estados que a teoria quântica convencional permite. 33

Interferômetros futuros com partículas mesoscópicas — como nanodiamantes levitados ou outros pequenos cristais — precisariam preservar a coerência por tempo suficiente e controlar rigorosamente fontes usuais de descoerência ambiental. Se esses sistemas mantiverem a interferência além do tempo de decaimento previsto por um modelo, isso imporia limites a ele. Se exibirem uma perda extra, reproduzível, com a dependência prevista de massa, separação e tempo, haveria um indício a investigar — ainda que ruídos experimentais e explicações não gravitacionais precisassem ser excluídos. 333436

Por enquanto, a conclusão precisa é mais delimitada: no regime testado, uma onda de matéria quântica em queda livre acumulou a fase gravitacional prevista pelo princípio da equivalência de Einstein. 24