Ações “fantasmagóricas” de Einstein usadas para criar novo detector de ondas gravitacionais

(dr) The SXS (Simulating eXtreme Spacetimes) Project

Quando dois buracos negros colidem, forma-se ondas gravitacionais no próprio espaço

Quando dois buracos negros colidem, formam-se ondas gravitacionais no próprio espaço

A primeira detecção direta de ondas gravitacionais, um fenômeno predito pela teoria geral da relatividade de Einstein de 1915, foi relatada por cientistas em 2016. Armados com essa “descoberta do século”, físicos de todo o mundo têm planejado novos e melhores detectores de ondas gravitacionais.

O professor de física Chunnong Zhao e os pesquisadores Haixing Miao e Yiqiu Ma são membros de uma equipe internacional que criou um projeto particularmente excitante para os detectores de ondas gravitacionais.

O novo design é um avanço real porque ele pode medir sinais abaixo de um limite que anteriormente se acreditava ser uma barreira intransponível. Os físicos chamam esse limite de limite quântico padrão. Ele é definido pelo princípio da incerteza quântica.

O novo design, publicado na revista Nature nesta semana, mostra que isso pode não ser mais uma barreira. O uso desta e de outras novas abordagens pode permitir que cientistas monitorem colisões de buracos negros e “terremotos espaciais” em todo o universo visível.

As ondas gravitacionais não são vibrações que viajam pelo espaço, mas sim vibrações do próprio espaço. Elas já nos mostraram uma inesperadamente grande população de buracos negros. Um estudo mais aprofundado das ondas gravitacionais pode nos ajudar a entender melhor nosso universo.

Mas as tecnologias de detectores de ondas gravitacionais são suscetíveis a ter um significado enorme para além deste aspecto da ciência, porque em si eles estão nos ensinando a medir incrivelmente pequenas quantidades de energia.

Os detectores de ondas gravitacionais usam luz laser para captar pequenas vibrações de espaço criadas quando buracos negros colidem. As colisões criam vastas explosões gravitacionais. São as maiores explosões conhecidas no universo, convertendo a massa diretamente em vibrações do espaço.

É preciso enormes quantidades de energia para fazer o espaço dobrar e vibrar. Nossos detectores – dispositivos perfeitos que usam espelhos pesados com lasers poderosos – devem medir o espaço que se estende por apenas um bilionésimo de bilionésimo de metro sobre a escala de quatro quilômetros de nossos detectores.

Estas medições já representam a menor quantidade de energia já medida.

Mas para os astrônomos de onda gravitacional isso não é bom o suficiente. Eles precisam ainda mais sensibilidade para poder ouvir muitos mais “sons” gravitacionais preditos, incluindo o som do momento em que o universo foi criado no big bang. É aí que entra este novo estudo.

Uma ideia fantasmagórica de Einstein

O novo conceito é baseado em trabalhos originais de Albert Einstein. Em 1935, Einstein e seus colegas de trabalho Boris Podolsky e Nathan Rosen – os autores do famoso paradoxo EPR – tentaram depor a teoria da mecânica quântica, mostrando que ela previu correlações absurdas entre partículas amplamente espaçadas.

Einstein provou que se a teoria quântica estava correta, então pares de objetos amplamente espaçados poderiam ser entrelaçados como duas moscas enredadas na teia de uma aranha. Estranhamente, esse emaranhamento não diminui, por mais distante que se tenha permitido que os objetos se movessem.

Einstein chamou o emaranhamento de “ação fantasmagórica à distância”. Ele tinha certeza de que sua descoberta iria acabar com a teoria da mecânica quântica de uma vez por todas, mas isso não era para ser. Desde a década de 1980, os físicos demonstraram que o emaranhamento quântico é real.

Por mais que a odiasse, a previsão de Einstein era certa e, para seu desgosto, a teoria quântica estava correta. As coisas à distância podiam ser enredadas.

Hoje os físicos têm se acostumado com o “fantasmagórico”, e a teoria do emaranhamento tem sido aproveitada para o envio de códigos secretos que não podem ser interceptados. Em todo o mundo, organizações como a Google e a IBM e laboratórios acadêmicos estão tentando criar computadores quânticos que dependem do emaranhamento.

E agora Zhao e seus colegas querem usar o conceito de emaranhamento para criar o novo design do detector de ondas gravitacionais.

Uma nova maneira de medir as ondas gravitacionais

O aspecto mais empolgante do novo detector é que ele é, na verdade, apenas uma nova maneira de operar detectores existentes. Ele simplesmente usa o detector duas vezes.

Na primeira vez, os fótons no detector são alterados pela onda gravitacional para capturar as ondas. Na segunda vez, o detector é usado para alterar o emaranhamento quântico de tal forma que o ruído devido à incerteza quântica não é detectado.

A única coisa que é detectada é o movimento dos espelhos distantes causados pela onda gravitacional. O ruído quântico do princípio da incerteza não aparece na medição.

Para fazê-lo funcionar, é preciso começar com fótons emaranhados que são criados por um dispositivo chamado “espremedor quântico”. Esta tecnologia foi pioneira na astronomia de ondas gravitacionais na Australian National University, e agora é uma técnica estabelecida.

Ao redor do mundo, físicos estão se preparando para testar a nova teoria e encontrar a melhor maneira de implementá-la em seus detectores.

Um deles é o detector de ondas gravitacionais GEO, em Hannover, na Alemanha, que foi um banco de ensaio para muitas das novas tecnologias que permitiram a descoberta das ondas gravitacionais no ano passado.

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