Muitos cosmólogos acreditam que a estrutura do universo é resultado de flutuações quânticas que ocorreram durante a expansão inicial. A confirmação dessa hipótese, no entanto, mostrou-se altamente desafiadora até agora, pois é difícil discernir entre as flutuações primordiais quânticas e clássicas ao analisar os dados cosmológicos existentes.
Dois pesquisadores da Universidade da Califórnia e da Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY, na Alemanha, desenvolveram recentemente um teste baseado na noção de não gaussianidade primordial que poderia ajudar a determinar a origem da estrutura cósmica. Em seu artigo, publicado na Physical Review Letters, eles argumentam que a detecção da não-gaussanidade primordial poderia ajudar a determinar se os padrões do universo se originaram de flutuações quânticas ou clássicas.
“Uma das idéias mais bonitas de toda a ciência é que a estrutura que observamos no cosmos resultou de flutuações quânticas no universo primitivo, que foram então esticadas por uma rápida expansão acelerada”, Rafael Porto, um dos pesquisadores que realizou o estudo, disse Phys.org. “Esse paradigma ‘inflacionário’ faz muitas previsões que foram corroboradas pelos dados, mas a natureza quântica da semente primordial é extremamente difícil de demonstrar diretamente”.
A principal razão pela qual a demonstração da origem quântica da estrutura do universo é tão difícil é que a inflação também poderia ter esticado perturbações clássicas, resultando em uma distribuição galáxia muito semelhante. Em seu trabalho, Porto e seu colega Daniel Green introduziram a idéia de que, embora flutuações quânticas e clássicas resultassem em distribuições semelhantes de galáxias, alguns padrões particulares difeririam em estruturas de origem quântica. Observar esses padrões poderia, portanto, permitir que os pesquisadores testassem a origem da estrutura cósmica.
“Grande parte do formalismo que estudamos os padrões das galáxias no céu é semelhante à maneira como os físicos de partículas estudam os processos de dispersão em colididores”, explicou Porto. “Na cosmologia, falamos sobre ‘correlações’, enquanto na física de partículas falamos sobre ‘amplitudes’, mas há muito em comum entre as duas. Usando alguns princípios e simetrias físicas básicas, demonstramos que os mecanismos clássicos produziriam um grande número de partículas e, como resultado, uma assinatura muito específica no padrão das galáxias, como ‘colisões’ nos dados dos colisores “.
Porto e Green mostraram que uma assinatura cosmológica semelhante à presença de ‘solavancos’ nos dados dos colisores pode indicar que a estrutura do universo se originou de flutuações clássicas. Por outro lado, a ausência dessas “colisões” sugeriria que as flutuações quânticas no ponto zero eram os principais agentes por trás da formação da estrutura cósmica.
“As pessoas tentaram encontrar uma assinatura para a origem quântica da estrutura e descobriram que o efeito é suprimido por 115 ordens de grandeza, ou seja, um efeito de … …. 115 vezes … 1”, acrescentou Porto. “Mostramos que, embora isso seja difícil de observar devido à contaminação de outras fontes durante o processo de formação da estrutura, se houver um sinal primordial, o efeito das perturbações clássicas é a ordem 1. Isso significa que alcançamos uma melhoria de 115 ordens de grandeza em relação às propostas anteriores “.
Nas últimas décadas, os cosmólogos que investigam a origem da estrutura do universo têm procurado principalmente a chamada polarização ‘modo B’ no fundo cósmico de microondas (CMB), pois essa polarização pode ser um produto de efeitos gravitacionais quânticos primordiais durante a inflação. Em vez de procurar a polarização do “modo B” como um indicador dos efeitos gravitacionais quânticos, Porto e Green mudaram o problema e descobriram que outro padrão, conhecido como “configuração dobrada para as funções de correlação”, carrega a semente das flutuações clássicas.
“Há uma longa história de pessoas testando a mecânica quântica no laboratório usando algo chamado desigualdades de Bell”, disse Green ao Phys.org. “A idéia essencial é que, se você tem um sistema quântico, existem certos tipos de medidas que podem ser feitas, que expõem a verdadeira natureza mecânica quântica do estado. O desafio na cosmologia é que (1) o universo que observamos é basicamente clássica e (2) não podemos realizar ‘experimentos’, pois não conseguimos manipular o estado do universo. A novidade de nosso trabalho é que mostramos que você ainda pode dizer que ele veio de um estado mecânico quântico em passado distante, apesar desses grandes obstáculos “.
O estudo recente de Porto e Green introduz um novo método para testar a hipótese de que a estrutura do universo é de natureza quântica. Essencialmente, os pesquisadores teorizam que, se não pudermos observar uma “colisão” na chamada configuração dobrada das funções de correlação não-Gaussiana, a estrutura do universo teria se originado de flutuações quânticas nulas, como na física clássica, o vácuo está vazio .
O teste decisivo introduzido em seu artigo difere bastante dos testes propostos anteriormente da mecânica quântica e, assim, contorna muitos dos problemas associados a esses testes. Em seu trabalho futuro, Porto e Green planejam investigar se o teste também pode ser aplicado a experimentos de laboratório em sistemas quânticos.
“Dan e eu agora também estamos pensando em como as idéias de informação quântica podem identificar ainda mais a natureza da semente primordial e, em termos mais práticos, também nos ajudam a fornecer um algoritmo mais rápido para simular a evolução do universo, talvez como os computadores quânticos possam fazer um dia. “, Disse Porto.
Publicado em 04/08/2020 07h06
Artigo original:
Estudo original:
Achou importante? Compartilhe!
Assine nossa newsletter e fique informado sobre Astrofísica, Biofísica, Geofísica e outras áreas. Preencha seu e-mail no espaço abaixo e clique em “OK”: