Elétrons na velocidade da luz podem revelar efeito quântico previsto há 45 anos
Por Daniele Cavalcante • Editado por Rafael Rigues |
Átomos viajando na velocidade da luz em um caminho específico de fótons poderão comprovar a existência de uma propriedade da mecânica quântica prevista na década de 1970, chamada efeito Unruh. Para observar esse efeito, os cientistas teriam que esperar bilhões de anos, mas um novo estudo demonstrou uma técnica que pode apresentar resultados em poucas horas.
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O que é efeito Unruh?
O efeito Unruh é um fenômeno que poderia ajudar os físicos a encontrar uma teoria capaz de unificar a mecânica quântica e a relatividade geral. O problema é que a probabilidade de ver o efeito é infinitesimalmente pequena, pois exige aceleração próxima à velocidade da luz.
Para resumir, o efeito Unruh é a radiação térmica (calor) que um corpo emite quando é acelerando no vácuo. Isso não deve ser confundido com nenhum outro efeito de interação entre partículas — ele ocorre por meio das interações entre matéria acelerada e flutuações quânticas no vácuo.
Essas “flutuações quânticas” são parte da teoria quântica de campos e ocorrem sempre que há uma mudança súbita na quantidade de energia em um ponto localizado do espaço “vazio” (ou aquilo que chamamos de vácuo).
Bem, as flutuações nos campos quânticos ocorrem o tempo todo, mesmo no vácuo, a uma frequência que mede aproximadamente o tamanho de meio fóton. De acordo com a previsão do físico canadense Bill Unruh, em 1976, um corpo acelerando no vácuo deve amplificar essas flutuações, produzindo assim um brilho quente e térmico.
Se a previsão estiver correta, o efeito Unruh deve acontecer espontaneamente no universo, mas ninguém conseguiu observá-lo até agora. Em seu novo estudo, pesquisadores do MIT e da Universidade de Waterloo apresentam um modo de aumentar significativamente o efeito para ser observado.
Como observar o efeito Unruh
A ideia dos autores é estimular o fenômeno por meio da aceleração de elétrons em um acelerador de partículas. Ou seja, a proposta é adicionar energia o suficiente para a partícula atingir a velocidade próxima à da luz quase instantaneamente — em menos de um milionésimo de segundo.
Essa aceleração descomunal seria equivalente a uma força G de um quatrilhão de metros por segundo ao quadrado. “Se você tivesse alguma aceleração razoável, teria que esperar uma quantidade enorme de tempo — mais do que a idade do universo — para ver um efeito mensurável”, disse Vivishek Sudhir, coautor do artigo.
Mas isso não é o suficiente para observar o efeito. Para isso, eles pretendem adicionar um feixe de micro-ondas. “Quando você adiciona fótons no campo, você está adicionando 'n' vezes essas flutuações nesse [campo que mede] meio fóton no vácuo”, explica Sudhir.
Só que tem um probleminha: além do efeito quântico Unruh, os fótons adicionais também amplificariam outros efeitos no vácuo. Foi justamente por isso que outros cientistas falharam ao usar a abordagem de estimulação com luz. Para resolver isso, os autores introduziram o conceito da “transparência induzida por aceleração”.
Eles mostraram que se um corpo como um elétron acelerar com uma trajetória muito específica através de um campo de fótons, a partícula interagiria com o campo, enquanto os fótons de uma determinaram frequência se tornam essencialmente invisíveis ao elétron. É como se esses efeitos adicionais fossem anulados.
Validando ideias revolucionárias
Além de validar previsões importantes da teoria quântica de campos, a observação do efeito Unruh também ajudaria a avançar nas investigações sobre a radiação Hawking, prevista por Stephen Hawking também na década de 1970.
De acordo com o famoso físico, essa radiação é um efeito térmico resultante da interação entre luz e matéria em um campo gravitacional extremo, como os arredores de um buraco negro. Assim como o efeito Unruh, a radiação Hawking ocorre espontaneamente, com o surgimento de partículas virtuais.
“Há uma estreita conexão entre o efeito Hawking e o efeito Unruh — eles são exatamente o efeito complementar um do outro”, disse Sudhir. É por isso que as equações para a temperatura do efeito Unruh usa a mesma fórmula para a radiação Hawking. Elas são referenciadas como Temperatura de Hawking–Unruh.
O novo artigo foi publicado na Physical Review Letters.
Fonte: MIT