Físicos dizem ter manipulado o vácuo e observado as consequências

De acordo com a mecânica quântica, o vácuo não é vazio, mas sim preenchido por energia quântica e partículas que entram e saem de existência a cada momento – estranhos sinais conhecidos como flutuações quânticas.

Por décadas, havia apenas evidências indiretas dessas flutuações, mas em 2015 pesquisadores afirmaram que detectaram essas flutuações diretamente. Agora os mesmos cientistas alegam que eles deram um passo adiante, manipulando o próprio vácuo e detectando as mudanças nesses estranhos sinais.

Se os resultados forem confirmados, os pesquisadores podem ter descoberto uma nova forma de observar e testar a esfera da física quântica sem interferir nela. Isso é importante porque um dos maiores problemas com a mecânica quântica é que sempre que tentamos medir ou observar um sistema quântico, nós o destruímos.

É aí que o vácuo quântico entra em cena. Primeiro vamos pensar nele de forma clássica: um espaço totalmente vazio de matéria, com a menor energia possível. Não há partículas ali, e nada para interferir com a física pura.

Mas um resultado de um dos princípios fundamentais da mecânica quântica, o famoso princípio da incerteza de Heisenberg, diz que há um limite para o quanto podemos saber sobre partículas quânticas. Como resultado, o vácuo não é vazio, mas cheio de energia e de pares partícula-antipartícula que aparecem e desaparecem de forma aleatória.

Flutuações quânticas

Essas partículas do vácuo são invisíveis, mas influenciam o mundo. Essas flutuações quânticas produzem flutuações nos campos elétricos que podem afetar elétrons. Foi desta forma que cientistas puderam demonstrar indiretamente sua presença na década de 1940. E por décadas, não houve muita novidade nesta área.

Aí, em 2015, um grupo liderado por Alfred Leitenstorfer, pesquisador da Universidade de Konstanz, na Alemanha, afirmou que as flutuações foram detectadas diretamente ao observar a influência delas nas ondas de luz. Esses resultados foram publicados na revista Science.

Para fazer isso, eles dispararam no vácuo um laser de pulso curto, que dura apenas alguns femtosegundos, ou seja, um milionésimo de um bilionésimo de segundo. Como resultado, eles puderam observar pequenas mudanças na polarização da luz. Eles afirmam que essas mudanças foram causadas diretamente por flutuações quânticas.

Essa afirmação ainda está sendo discutida, mas os pesquisadores levaram o experimento para o próximo nível ao “espremer” o vácuo, e dizem que eles puderam observar as estranhas mudanças nas flutuações quânticas. “Podemos analisar estados quânticos sem alterá-los na primeira aproximação”, diz Leitenstorfer.

Normalmente, quando você procura pelos efeitos das flutuações quânticas em uma única partícula de luz, você tem que detectar essa partícula, ou aumenta-la, para conseguir ver o efeito. E isso poderia remover a assinatura quântica deixada naquele fóton, que é semelhante ao que a equipe fez no experimento de 2015.

Vácuo x balão

Desta vez, ao invés de ampliar os fótons, o grupo estudou a luz no domínio do tempo.Pode parecer estranho, mas no vácuo, espaço e tempo se comportam da mesma forma, então é possível examinar um deles para aprender mais sobre o outro.

Ao fazer isso, a equipe viu que quando eles espremem o vácuo, ele reagiu mais ou menos como um balão, redistribuindo as flutuações ali.

Em alguns pontos, as flutuações ficaram mais barulhentas que o som de fundo do vácuo espremido, e em outros, ficaram mais quietas. Leitenstorfer compara isso com o trânsito de carros: quando há um funil que faz os carros se acumularem atrás dele, assim que os carros conseguem passar por ele a densidade de carros vai diminuir novamente.

O mesmo acontece no vácuo. Conforme ele é espremido em um lugar, a distribuição de flutuações quânticas muda, e elas podem acelerar ou diminuir de velocidade como resultado.

Este efeito pode ser medido no domínio do tempo, que você pode observar na imagem abaixo. O pico no centro é a compressão no vácuo:

University of Konstanz

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Outra coisa estranha também acontece: as flutuações em alguns lugares parecem diminuir abaixo do nível de barulho de fundo, que é menor que o estado normal de locais vazios, algo que os cientistas chamam de “fenômeno espantoso”.

“Como a nova técnica de medição não precisa absorver os fótons ou ampliá-los para conseguir medi-los, então é possível detectar o som de fundo eletromagnético do vácuo e consequentemente também os desvios controlados desse estado normal, criados pelos pesquisadores”, diz uma nota publicada para a imprensa.

A equipe agora está testando o quão precisa a técnica é, e quanto podem aprender com ela. Mesmo com resultados impressionantes, é possível que os pesquisadores só tenham alcançado medições fracas, um tipo de medição que não interfere no estado quântico, mas também não diz aos pesquisadores muita coisa sobre esses sistemas.

Se a técnica for comprovada eficaz, os pesquisadores podem usá-la para examinar o “estado quântico da luz”, que é o comportamento invisível da luz no nível quântico que estamos apenas começando a entender.

A pesquisa mais recente do grupo de pesquisadores foi publicada na revista Nature.

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