Nossa experiência cotidiana mostra que o mundo macroscópico é diferente do quântico. Ao contrário das partículas quânticas, os objetos em nossa existência diária não existem, por exemplo, em uma superposição de diferentes estados. Tradicionalmente, os físicos explicam a transição entre os dois mundos dizendo que o princípio da superposição quântica, que é o bloco de construção da teoria quântica, se quebra quando as medições são realizadas. A função de onda desse sistema “entra em colapso” com a medição.
Por que tal colapso aconteceu ainda não está claro, mas um modelo – desenvolvido pelo físico matemático Roger Penrose, e baseado em trabalhos anteriores de Lajos Diósi – sugere que a gravidade pode desempenhar um papel. Pesquisadores na Itália, Alemanha e Hungria estabeleceram restrições importantes neste chamado modelo Diósi-Penrose, em um trabalho que pode lançar uma nova luz sobre um quebra-cabeça de longa data na teoria quântica: por que não as propriedades inerentes dos sistemas microscópicos transitar para os macroscópicos?
Colapso da função de onda relacionada à gravidade
Em 1996, Penrose sugeriu que o colapso das superposições quânticas poderia ser causado pela curvatura do espaço-tempo – isto é, pela gravidade. Os efeitos da gravitação, ele raciocinou, são insignificantes no nível dos átomos, mas aumentam dramaticamente no nível dos objetos macroscópicos. Penrose também forneceu uma fórmula para calcular a decadência da superposição, usando métodos semelhantes ao trabalho anterior de Diósi.
Nesse modelo de Diósi-Penrose (DP), o colapso da função de onda relacionado à gravidade, que depende do tamanho efetivo da densidade de massa das partículas na superposição, induz um movimento aleatório das partículas. Quando as partículas estão carregadas (como prótons e elétrons), esse “jitter” produz uma emissão característica e muito fraca de radiação eletromagnética.
Uma equipe de pesquisadores liderada por Angelo Bassi, da Universidade de Trieste, calculou agora a taxa em que essa radiação é emitida, resolvendo a equação principal do modelo DP. Eles fizeram isso calculando o número de fótons emitidos por unidade de tempo e unidade de frequência integrada em todas as direções espaciais na faixa de comprimento de onda de 10-5 a 10-1 nm, que corresponde a energias EE de 10-105 keV. Em um desenvolvimento posterior, uma equipe de experimentalistas liderada por Catalina Curceanu e Matthias Laubenstein do INFN e Kristian Piscicchia do Centro de Pesquisa Enrico Fermi, ambos na Itália, passou a medir essa taxa de radiação calculada em um experimento no INFN-LNGS Gran Laboratório subterrâneo de Sasso em Assergi.
Experiência subterrânea dedicada
De acordo com o autor principal do estudo, Sandro Donadi, do Instituto de Estudos Avançados de Frankfurt, o experimento foi projetado para ser sensível à fraca radiação de raios X e gama que o modelo DP prevê. Para isso, os pesquisadores usaram um detector de germânio de alta pureza para medir o espectro de radiação no ponto em que a teoria prevê que ele deve ser aprimorado. Eles também construíram toda a sua configuração usando materiais com baixíssima radioatividade e os envolveram em um complexo sistema de blindagem. Finalmente, eles realizaram seus experimentos em uma instalação subterrânea especialmente construída para ter baixa radioatividade de fundo. “Todo esse esforço teve como objetivo minimizar as fontes de ruído de fundo que podem imitar a radiação relacionada ao colapso que estamos procurando”, diz Donadi.
Além dessas medidas, os pesquisadores caracterizaram cuidadosamente o espectro de fundo produzido por fontes naturais de contaminação conhecidas que não podem ser eliminadas. Ao combinar essas precauções experimentais com análises teóricas e estatísticas refinadas de seus dados, eles foram capazes de definir um limite inferior no tamanho efetivo da densidade de massa dos núcleos. Este limite inferior é equivalente a cerca de 1 Å, ou aproximadamente três ordens de magnitude maior do que os limites relatados anteriormente.
Ainda não descartado
“Nosso resultado sugere que mais trabalho precisa ser feito para relacionar a gravidade ao colapso da função de onda, uma vez que exclui a versão mais natural (‘livre de parâmetros’) do modelo DP”, disse Donadi ao Physics World. “No entanto, seria prematuro descartar o papel da gravidade nesta fase.”
Donadi acrescenta que Diósi e Penrose apresentam boas razões para acreditar que há uma tensão entre o princípio da superposição quântica e a relatividade geral. “Agora pretendemos investigar possíveis soluções para isso desenvolvendo modelos de colapso de função de onda refinados com base em nossas descobertas recentes”, diz ele.
No curto prazo, os pesquisadores pretendem aplicar um tipo de análise semelhante a outras teorias do colapso, como o modelo GRW proposto por Giancarlo Ghirardi, Alberto Rimini e Tullio Weber, e outro modelo conhecido como Continuous Spontaneous Localization (CSL). Esses outros modelos são mais difíceis de falsificar, Donadi explica, por causa das diferentes relações matemáticas entre os parâmetros dos modelos e a taxa de emissão de radiação esperada.
“Esses estudos nos levarão na direção de realizar novas configurações experimentais mais sensíveis, baseadas em novos detectores de radiação de vanguarda, sistemas de aquisição de dados e métodos de análise”, acrescenta Curceanu.
Publicado em 10/10/2020 15h53
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