Um experimento com átomos ultrafrios mostrou, pela primeira vez de forma direta, que um objeto quântico em queda livre acumula exatamente a diferença de fase prevista pela teoria da gravidade de Albert Einstein. O resultado indica que o princípio da equivalência, uma das bases da relatividade geral, permanece válido mesmo quando uma partícula ocupa dois caminhos simultaneamente.
Pesquisadores das universidades de Ulm, Oxford e Ben-Gurion do Neguev dividiram as ondas quânticas associadas a átomos de rubídio e compararam duas trajetórias: uma mantida parada em relação ao laboratório e outra submetida a uma queda livre controlada. Quando as partes foram reunidas, o padrão de interferência revelou a ação da gravidade.
O teste leva a física quântica a uma situação na qual os efeitos gravitacionais podem ser investigados diretamente e estabelece uma nova plataforma para experimentos mais exigentes.
A equivalência chega à escala dos átomos
O princípio da equivalência afirma que, para um observador em queda livre, a gravidade desaparece localmente. É a razão pela qual os ocupantes de um elevador ou avião em queda experimentariam uma aparente ausência de peso. A equipe quis descobrir se essa equivalência também se manifesta quando o “observador” é um sistema quântico, sujeito a fenômenos sem paralelo evidente no cotidiano.
O desafio está no comportamento ondulatório dos átomos. Em uma superposição quântica, um mesmo átomo pode seguir mais de uma trajetória possível. Em vez de tratar essa característica como obstáculo, os cientistas a transformaram no centro da medição por meio de um dispositivo chamado Interferômetro Quântico de Galileu.
Uma onda ficou parada; a outra caiu
O experimento empregou nuvens de rubídio ultrafrias sobre um chip atômico especialmente desenvolvido. Pulsos de micro-ondas colocaram os átomos em superposição, criando duas partes da onda quântica. Pequenos fios elétricos integrados ao chip produziram campos magnéticos e uma força ascendente capaz de compensar a atração gravitacional, mantendo uma dessas partes estacionária em relação à Terra.
A segunda parte recebeu um impulso magnético para cima e, em seguida, foi transferida para um estado que não respondia ao campo usado como sustentação. Sem essa força compensatória, ela passou a se mover sob a gravidade, simulando a queda livre. Depois, novos pulsos magnéticos reuniram as duas trajetórias, permitindo que as ondas interferissem entre si.
A gravidade deixou uma assinatura quântica
O interferômetro mediu uma diferença extremamente pequena entre as fases acumuladas pelas duas partes da onda. O valor coincidiu com a previsão derivada do princípio de equivalência de Einstein.
Embora outros experimentos já tenham usado sistemas quânticos como sensores gravitacionais, este seria o primeiro a medir diretamente a fase quântica prevista para um objeto em queda livre, segundo o estudo publicado na revista Science Advances.
“Não temos uma teoria consistente que nos diga por que a física quântica deveria falhar, afirmou Vlatko Vedral, professor de física da Universidade de Oxford. “Este experimento leva a mecânica quântica a uma de suas fronteiras mais intrigantes, a gravidade, e mostra que, mais uma vez, suas previsões se sustentam.”
O teste abre caminho para objetos maiores
O resultado não constitui uma teoria quântica da gravidade nem elimina propostas segundo as quais a mecânica quântica poderia deixar de funcionar em determinadas condições. Roger Penrose, professor da Universidade de Oxford envolvido no trabalho, já argumentou que superposições mantidas por muito tempo poderiam entrar em colapso quando envolvessem objetos suficientemente massivos.
Como o teste usou átomos de rubídio, ele não avaliou as massas previstas nessa hipótese. A técnica, porém, pode ajudar a avançar nessa direção: futuros experimentos poderão usar massas maiores e manter as superposições por mais tempo, procurando o ponto em que a gravidade e o comportamento quântico talvez deixem de concordar tão bem.
