Físicos medem o vácuo pela primeira vez

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.

Fonte: hypescience.com