Gravidade quântica: detectado sinal parecido com partícula gráviton

Uma equipe de cientistas apresentou a primeira evidência experimental de grávitons quirais, um análogo das partículas hipotéticas mediadoras da gravidade. Se existirem de fato, os grávitons podem finalmente unificar a mecânica quântica e a relatividade geral, tornando-se a peça que falta para uma Teoria de Tudo.

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O século XX foi o palco de muitas descobertas científicas que, hoje, formam duas grandes teorias. A primeira delas, desenvolvida por Albert Einstein, descreve o universo em grandes escalas por meio de uma nova interpretação da gravidade, enquanto a segunda descreve a física das partículas invisíveis.

Embora ambos os conjuntos de teorias tenham sido testados exaustivamente — e confirmados em cada teste —, eles permanecem incompatíveis entre si. O motivo é que a gravidade é a única das forças fundamentais que parece não ter uma partícula mediadora.

Por outro lado, as outras forças fundamentais (força forte, força fraca e força eletromagnética) são quantizadas, ou seja, possuem partículas mediadoras que se “movem” em seus respectivos campos quânticos. Embora a gravidade também tenha seu próprio campo, ele pode não ser quântico.

Os físicos consideram muito estranho o fato de que a gravidade não tenha uma partícula, pois suas propriedades são, em alguns aspectos, muito semelhantes às de qualquer uma das outras três forças fundamentais.

Além disso, a ausêcia de uma partícula mediadora pode significar que a gravidade pode não ser uma força fundamental. Por outro lado, se a gravidade tiver uma natureza quântica, a Teoria da Relatividade Geral pode estar "incorreta" ou incompleta.

Por isso, eles buscam há décadas uma partícula hipotética chamada gráviton, que seria a mediadora da gravidade e finalmente conectaria as duas melhores teorias da física.

Detectar e confirmar a existência dessa partícula não apenas unificaria a relatividade geral de Einstein e a mecânica quântica, como também mudaria a própria maneira que entendemos o universo. Para isso, no entanto, os cientistas precisam superar muitos obstáculos, inclusive de engenharia, já que parece inviável construir um detector de grávitons.

A equipe do novo estudo não tentou detectar grávitons diretamente — isso exigiria instrumentos maiores que nosso próprio planeta —, mas sim um comportamento quântico em materiais conhecidos que são parecidos com o comportamento previsto para os grávitons.

No experimento, eles descobriram a excitação (elevação do nível energético) em um tipo de matéria condensada chamada líquido de efeito Hall quântico fracionário (FQHE). Trata-se de um semicondutor onde elétrons interagem fortemente, tornando-o sujeito a altos campos magnéticos e baixas temperaturas.

As excitações coletivas detectadas no material apresentaram características de algo conhecido como modos grávitons quirais (CGMs). Não se tratam dos grávitons, mas sim um fenômeno quântico que serve como analogias para grávitons.

Para o estudo, os autores usaram uma técnica que consiste em medir como as partículas de luz se espalham quando atingem um material, revelando assim as propriedades subjacentes desse material. Na verdade, a técnica foi adaptada para medir apenas partículas de luz polarizada, isto é, orientadas em uma mesma direção (spin).

Quando os fótons polarizados interagem com uma partícula como os CGM, que também giram, o sinal de seu spin mudará em resposta de maneira mais distinta do que se eles estivessem interagindo com outros tipos de modos. E foi exatamente isso o que os autores observaram.

O resultado em si não é uma evidência de que os grávitons existem, nem pode ser aplicado em modelos que tentam explicar a natureza da gravidade. Os autores tiveram o cuidado de deixar explícito, dizendo que os CGM “são matéria condensada análoga de grávitons, que são bósons hipotéticos de spin-2".

Em resposta ao Canaltech, o físico e comunicador científico Ethan Siegel explicou que os autores “estão observando quasipartículas (partículas não fundamentais) que exibem o comportamento de quanta tendo spin +2 ou spin -2 em um sistema de matéria condensada”.

No entanto, os CGMs detectados compartilham características com os grávitons, incluindo flutuações métricas quantizadas, onde o espaço-tempo é distorcido em diferentes direções. Assim como os CGMs observados, o gráviton também deve possuir spin +2 ou -2.

Além disso, Ethan lembrou dos experimentos realizados com matéria condensada para produzir análogos de radiação Hawking em buracos negros. “Isso não significa que saibamos algo mais sobre o comportamento da radiação Hawking em torno dos buracos negros no nosso Universo físico”.

Do mesmo modo, “este estudo não tem absolutamente nada significativo a dizer sobre se a gravidade é fundamentalmente quantum e/ou se existem grávitons em nosso Universo físico”, acrescentou Ethan.

“É um desenvolvimento inteligente, mas existem limitações fundamentais em sistemas análogos como este que nos impedem de tirar quaisquer conclusões significativas sobre a natureza fundamental da realidade a partir deste tipo de experiências”.

O artigo científico foi publicado na Nature.

Fonte: Nature, Universidade de Colúmbia