Físicos observam flutuações quânticas do vácuo diretamente

O espaço vazio nunca está verdadeiramente vazio.

Mesmo no seu estado de energia mais baixo, o vácuo, um campo quântico apresenta flutuações inevitáveis. Estas resultam do princípio da incerteza de Heisenberg: certos pares de propriedades não podem ter, ao mesmo tempo, valores definidos com precisão.

Na prática, isto significa que um campo quântico deverá assemelhar-se à interferência de um televisor, e existem numerosas provas indiretas de que assim é.

Agora, porém, físicos liderados por Yansheng Zhang, da Universidade de Cambridge, no Reino Unido, alcançaram um avanço importante: obtiveram imagens diretas das flutuações de um campo quântico criado em laboratório.

«Observar estas flutuações no limite de seno-Gordon abre muitas possibilidades para simulações laboratoriais de campos relativistas em regimes que, atualmente, não são tratáveis do ponto de vista teórico», escrevem num artigo preliminar publicado no arXiv.

Os efeitos das flutuações quânticas do vácuo

As flutuações do vácuo não são apenas uma construção teórica: produzem efeitos reais no Universo físico.

Átomos excitados que interagem com flutuações no vácuo podem decair espontaneamente para um estado de energia inferior, emitindo um fotão nesse processo. Já os eletrões de um átomo de hidrogénio podem apresentar níveis de energia ligeiramente diferentes devido às interações com essas flutuações.

Existe também o efeito de Casimir. Quando duas placas condutoras são colocadas muito próximas uma da outra no vácuo, surge uma força mensurável que as atrai, devido à diferença entre as flutuações quânticas no espaço entre as placas e no seu exterior.

Estas flutuações desempenham ainda um papel na radiação de Hawking, cuja emissão na fronteira de um buraco negro é prevista teoricamente.

Na cosmologia, pensa-se que minúsculas flutuações quânticas primordiais foram esticadas até escalas enormes durante a inflação cósmica. Essas pequenas variações acabaram por fornecer as sementes em torno das quais a matéria se acumulou, dando origem à teia cósmica de galáxias e enxames que hoje observamos.

A teoria quântica de campos descreve o Universo como sendo permeado por campos, nos quais as partículas surgem sob a forma de excitações. Cada campo pode ser entendido como um conjunto de modos com diferentes comprimentos de onda, à semelhança das várias formas como uma corda de guitarra pode vibrar.

Cada modo comporta-se de forma semelhante a um oscilador harmónico quântico, a versão da mecânica quântica de uma massa que oscila presa a uma mola. Devido à incerteza quântica, esse oscilador nunca pode ficar perfeitamente imóvel, mesmo no seu estado de energia mais baixo.

Apesar dos seus efeitos profundos no Universo físico, as flutuações quânticas são extremamente difíceis de observar diretamente. São muito pequenas, inerentemente aleatórias e não constituem um alvo claro para o qual os cientistas possam apontar um detetor.

Por isso, a maioria das observações mediu as consequências das flutuações quânticas, e não as próprias flutuações.

Como o condensado de Bose-Einstein revelou as flutuações quânticas

É aqui que entram os condensados de Bose-Einstein.

Um condensado de Bose-Einstein (BEC) é uma nuvem de átomos ultrafrios, arrefecidos até uma temperatura apenas ligeiramente acima do zero absoluto. Nestas condições, os átomos comportam-se coletivamente como um único sistema quântico, permitindo observar efeitos quânticos em toda a nuvem.

Em vez de tentar obter imagens do vácuo do espaço vazio, Zhang e a sua equipa criaram um campo quântico que podiam observar: um BEC bidimensional composto por átomos de potássio-39.

Os investigadores utilizaram dois estados internos diferentes dos átomos de potássio-39, que acoplaram através de ondas de rádio.

O campo quântico que pretendiam estudar estava codificado nos estados de momento angular intrínseco dos átomos. Em termos gerais, as variações desse momento angular ao longo da nuvem comportavam-se como variações num campo quântico.

Como o BEC é constituído por átomos, os investigadores puderam obter imagens destes e reconstruir diretamente as variações locais: as flutuações quânticas.

Mas existem outras causas possíveis para as flutuações, como variações de temperatura e ruído experimental. Para determinar se o padrão semelhante a interferência observado no BEC resultava realmente de flutuações do vácuo, os investigadores tiraram partido das propriedades dos osciladores quânticos numa experiência de amplificação.

Começaram por preparar o campo de momento angular intrínseco perto do seu estado fundamental. Depois, alteraram subitamente a intensidade do acoplamento entre os dois estados atómicos. Essa alteração foi concebida para amplificar as pequenas flutuações que já existiam no campo.

Um oscilador com energia nula não reagiria a esta alteração começando subitamente a oscilar. Contudo, um oscilador quântico no estado fundamental não está perfeitamente imóvel: conserva uma agitação mínima causada pela incerteza quântica. Ao alterar o sistema, essas flutuações preexistentes evoluem para oscilações mensuráveis - e foi isso que os investigadores observaram.

A etapa seguinte trouxe outro resultado interessante.

A equipa repetiu as medições sem amplificar primeiro as flutuações, analisando a forma como a sua intensidade variava com a frequência. As flutuações quânticas do vácuo e as flutuações térmicas comuns produzem padrões claramente distintos.

Mais uma vez, os resultados foram positivos. A intensidade das flutuações diminuiu à medida que a frequência aumentava, exatamente como se esperava para as flutuações do vácuo, e não para o ruído térmico.

O campo de seno-Gordon e as possibilidades de investigação

Este resultado é particularmente entusiasmante.

Um aspeto importante é que o BEC pode ser ajustado para se comportar como um tipo de campo quântico relativista conhecido como campo de seno-Gordon. Os investigadores dispõem assim de um modelo laboratorial no qual poderão observar a evolução de flutuações quânticas para fenómenos muito maiores e mais complexos.

Em algumas situações da teoria quântica, os cálculos matemáticos tornam-se extremamente difíceis. Com este novo sistema, os cientistas poderão, em vez de resolver equações formidáveis, construir um sistema quântico controlável, regido por uma física análoga, e observar o que acontece.

Segundo os investigadores, o sistema poderá ajudar a estudar situações como o decaimento do falso vácuo, um processo potencialmente capaz de destruir o Universo; a produção de partículas; e a formação e o decaimento de defeitos topológicos em campos quânticos.

«O facto de podermos observar diretamente flutuações de campo no regime em que a incerteza quântica domina sobre o ruído térmico poderá oferecer uma janela única para os mecanismos microscópicos que regem estes fenómenos», escrevem.

A investigação, que ainda não foi sujeita a revisão por pares, está disponível no servidor de artigos preliminares arXiv.

Este artigo foi verificado e editado por Rebecca Dyer. Embora tenhamos orgulho no nosso processo, somos humanos. Se detetar algum erro, informe-nos.