A física é o campo da
ciência que estuda as propriedades da matéria e da energia – ou seja, tudo que
existe, e tudo, nesse caso, inclui até mesmo o nada. O vazio não é realmente
vazio de acordo com as leis da física quântica. O vácuo, no qual classicamente
supõe-se que não haja literalmente “nada”, está repleto de coisas chamadas
flutuações do vácuo – pequenas alterações de um campo eletromagnético, por
exemplo, que geralmente chegam a zero com o tempo, mas podem se desviar disso
por um breve momento.
Para alguns físicos, medir o espectro de pequenas ondas que compõem o espaço vazio que chamamos de vácuo é uma meta há décadas, mas até agora não havia uma boa maneira de fazer isso. Isso mudou nesta semana, quando físicos da ETH Zurich usaram habilmente pulsos de laser para entender a natureza quântica de um vácuo, estabelecendo um marco nas tentativas de medir o nada absoluto.
“As flutuações do campo eletromagnético no vácuo têm consequências
claramente visíveis e, entre outras coisas, são responsáveis pelo fato de que
um átomo pode emitir luz espontaneamente”, explica Ileana-Cristina
Benea-Chelmus, física do Instituto de Eletrônica Quântica da ETH Zurich, em
entrevista ao site da instituição
Nosso Universo é uma tela cheia de espaços vazios. Há uma textura
nessa realidade nua que só podemos detectar. Mas este espaço, que geralmente consideramos
completamente ausente de matéria e radiação, é um campo infinito de
possibilidades do qual emergem algumas partículas. Existe um campo para cada
partícula elementar, apenas esperando por energia suficiente para definir as
principais características de sua existência.
Essas partículas são todas limitadas por uma regra estranha – à
medida que algumas possibilidades aumentam, outras têm que encolher. Uma
partícula pode estar em um local preciso, por exemplo, mas terá um momentum
muito vago, ou vice-versa. Este princípio de incerteza não se aplica apenas às
partículas, mas também ao próprio campo vago.
Durante um período prolongado de tempo, a quantidade de energia em
um volume de espaço vazio é em média zero. Mas em determinados momentos não
sabemos quanta energia será encontrada nestes espaços, o que resulta em um
espectro de probabilidades.
Embora pareça aleatória, há correlações que podem nos dar
informações sobre a natureza dessa ondulação. Para medir a maioria das coisas,
os pesquisadores precisam estabelecer um ponto de partida. Infelizmente, isso é
difícil de fazer com algo que já está em seu estado mais baixo de energia.
“É
um pouco como medir a força de um soco a partir de um punho sem movimento”,
compara matéria do portal Science Alert. “Os detectores tradicionais de luz,
como os fotodiodos, baseiam-se no princípio de que as partículas de luz – e,
portanto, a energia – são absorvidas pelo detector. No entanto, a partir do
vácuo, que representa o menor estado de energia de um sistema físico, nenhuma
energia adicional pode ser extraída”, explica Benea-Chelmus.
Então, em vez de medir a transferência de energia de um campo
vazio, a equipe planejou uma maneira de procurar a assinatura de suas sutis
mudanças de probabilidade na polarização dos fótons.
Ao comparar dois pulsos de
laser de apenas um trilionésimo de segundo de comprimento, enviados através de
um cristal super-frio em diferentes momentos e locais, a equipe pôde descobrir
como o espaço vazio entre os átomos do cristal afetava a luz.
“Ainda assim, o sinal medido é absolutamente pequeno, e nós
realmente tivemos que maximizar nossa capacidade experimental de medir campos
muito pequenos”, diz o físico Jérôme Faist ao site do ETH Zurich.
Essa oscilação quântica era tão pequena que eles precisaram de até
um trilhão de observações para cada comparação, apenas para ter certeza de que
as medições eram legítimas. Essas medições minúsculas permitiram que eles
determinassem o fino espectro de um campo eletromagnético em seu estado
fundamental.
Controlar o que é efetivamente espaço vazio está se tornando um grande negócio na física quântica. Recentemente, outra equipe de físicos tentou colocar limites no ruído do vácuo à temperatura ambiente, a fim de melhorar a funcionalidade do detector de ondas gravitacionais LIGO.
Partículas
virtuais – breves fantasmas de possíveis partículas que mal existem como
incertezas em um campo – também são fundamentais para entender como os buracos
negros se evaporam lentamente com o passar do tempo através da radiação de
Hawking.
Segundo a matéria do ETH Zurich, os pesquisadores esperam que no
futuro eles possam medir ainda mais os casos exóticos de flutuações de vácuo
usando este método. “Na presença de fortes interações entre fótons e matéria,
que podem ser alcançadas, por exemplo, dentro de cavidades ópticas, de acordo
com cálculos teóricos, o vácuo deve ser preenchido com uma multiplicidade de
chamados fótons virtuais. O método desenvolvido por Faist e seus colaboradores
deve possibilitar o teste dessas previsões teóricas”, diz o texto.
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