Como a gravidade de Einstein mata o gato de Schrödinger?

Se o gato do famoso experimento mental de Erwin Schrödinger de se comportar de acordo com a teoria quântica, ele é capaz de existir em vários estados ao mesmo tempo: morto ou vivo. A explicação dos físicos do porquê que não vemos tais superposições quânticas — em gatos ou qualquer outro aspecto do mundo todos os dias — é a interferência do ambiente. Assim que um objeto quântico interage com uma partícula perdida ou um campo, ele adquire apenas um estado, entrando em colapso em nosso modo de exibição clássico, todos os dias.

Mas mesmo que os físicos pudessem isolar completamente um objeto grande em uma superposição quântica, de acordo com pesquisadores da Universidade de Viena, ele ainda entraria em colapso em um estado — na superfície da Terra, pelo menos. “Em algum lugar no espaço interestelar, pode ser que o gato tenha uma chance de preservar a coerência quântica, mas na Terra, ou perto de qualquer planeta, há pouca esperança de que isso ocorra,” disse Igor Pikovski. A razão, ele afirma, é a gravidade.

A ideia de Pikovski e seus colegas, dispostas em um artigo publicado na Nature Physics em 15 de junho, é atualmente apenas um argumento matemático. Mas experimentadores esperam testar se a gravidade realmente colapsoa superposições quânticas, disse Hendrik Ulbricht, um físico experimental na Universidade de Southampton, UK. “Esta é uma ideia legal, nova, e eu estou pronto para tentar vê-la em experimentos,” disse ele. A montagem da tecnologia para fazer isso, no entanto, pode demorar até uma década, disse ele.

Nas salas de cinema onde o filme interestelar foi rodado já estão familiarizadas com o princípio básico por trás do trabalho da equipe de Viena. A teoria da relatividade de Einstein afirma que um objeto extremamente massivo faz com que os relógios próximos sejam executados mais lentamente, porque seu forte campo gravitacional estica o tecido do espaço-tempo (motivo pelo qual um personagem no filme envelheceu somente uma hora perto de um buraco negro, enquanto sete anos se passaram na Terra). Em uma escala mais sutil, uma molécula colocada mais próxima de superfície da Terra, experimenta um tempo um pouco mais lento do que uma colocada um pouco mais longe.

Por causa do efeito da gravidade no espaço-tempo, a equipe do Pikovski percebeu que essa variação em da posição de uma molécula também irá influenciar a sua energia interna — as vibrações das partículas dentro da molécula, que evoluem ao longo do tempo. Se uma molécula fosse colocada em uma superposição quântica de dois lugares, a correlação entre a posição e a energia interna logo causaria a dualidade para ‘descodificar’ à molécula de tomar apenas um caminho, sugeriram eles. “A maioria das situações de incoerência é devido a algo externo; aqui é como se o balançar interno estivesse interagindo com o movimento da molécula em si,”adiciona Pikovski.

Um limite prático

Ninguém ainda viu esse efeito porque outras fontes de dispersão — como campos magnéticos, radiação térmica e vibrações — são tipicamente muito mais fortes e causam colapsos em sistemas quânticos muito antes de gravidade se tornar um problema. Mas pesquisadores estão ansiosos para experimentar isso.

Markus Arndt, um físico experimental também da Universidade de Viena, já testa se superposições quânticas podem ser observadas para objetos – embora não do tamanho de gatos – grandes. Ele envia grandes moléculas através de um interferômetro de onda-partícula, um sistema que dá a cada molécula de uma escolha de dois caminhos diferentes. No modo de exibição clássico, uma molécula viaja por um caminho; uma molécula  quântica efetivamente passa por ambas as rotas de uma vez e interfere em si para criar um padrão de onda característico (veja imagem abaixo).

Um padrão de interferência quântica construída a partir de moléculas complexas conhecidas como ftalocianinas.

Um conjunto semelhante acima poderia ser usado para testar a capacidade da gravidade destruir o comportamento quântico: comparando um interferômetro vertical, em que a superposição deve em breve descodificar devido o alongamento do tempo em um caminho contra o outro, com um conjunto horizontal, onde a superposição poderia permanecer. Arndt, que testou o efeito de moléculas com até 810 átomos, assinala que as grandes moléculas seriam boas para testar o efeito gravitacional pois elas contêm muitas partículas que contribuem para a energia interna. Mas não só os pesquisadores teriam que suprimir ainda mais o ambiente externo para reduzir outros efeitos de incoerência como também precisariam aumentar a separação dos dois caminhos de micrômetros para metros, ou então usar moléculas talvez 1 milhão de vezes mais massiva. “É certamente muito desafiador,” diz Arndt.

Se o efeito da gravidade limita o comportamento quântico na Terra, testes de realidade quântica para grandes objetos eventualmente podem ter que mover-se para o espaço, diz Angelo Bassi, um físico da Universidade de Trieste, na Itália. “Mas a partir de um profundo ponto, de vista fundamental, isso não é novidade”, diz ele. Um campo gravitacional é apenas mais um ambiente de interação, então, isso não explica se o comportamento quântico poderá conduzir a realidade clássica se a influência da gravidade fora mitigada – por exemplo, fazendo o experimento no espaço sem gravidade.

O efeito descrito por Pikovski e colegas também não diz nada sobre gravidade quântica: a teoria de que uniria gravidade e a mecânica quântica em uma única descrição, que muitos pesquisadores estão trabalhando. “É um efeito interessante, mas ainda é a física quântica aplicada na relatividade geral clássica. Dessa forma ela não muda a nossa imagem do mundo “, acrescenta Bassi.

Traduzido e adaptado de Science