Buracos negros destroem superposições quânticas próximas, revela experimento mental

Um novo experimento mental sugere que a mera presença de um buraco negro pode destruir uma superposição espacial quântica próxima. Desenvolvido por físicos nos EUA, o experimento implica que o campo gravitacional de longo alcance da partícula na superposição irá interagir com o horizonte de eventos do buraco negro, causando a decoerência da superposição quântica em um tempo finito.

Killing horizon: um experimento mental sugere que a presença de um buraco negro pode decoerificar uma superposição quântica. (Cortesia: Shutterstock/Rost9) 

A coerência é um conceito da mecânica quântica que permite que um sistema exista em uma superposição de vários estados quânticos diferentes ao mesmo tempo. Decoerência é o processo de destruir uma superposição fazendo uma medição que coloca o sistema em um estado específico.

A medição, neste caso, é um termo geral e refere-se a uma interação entre um sistema quântico e seus arredores. Uma medição pode ser, por exemplo, um campo magnético disperso ou uma flutuação na temperatura, bem como uma determinação em laboratório de uma propriedade do sistema (como a polarização de um fóton).

A superposição e outros aspectos da mecânica quântica fazem um trabalho fantástico ao descrever o comportamento de sistemas microscópicos. No entanto, os físicos não foram capazes de incorporar a gravidade na descrição da natureza pela teoria quântica. Hoje, a gravidade é melhor descrita pela teoria geral da relatividade de Albert Einstein e unificar as duas teorias em uma teoria da gravidade quântica é um objetivo importante da física moderna.

No entanto, isso provou ser muito difícil porque os efeitos da gravidade quântica só devem ser relevantes em escalas de comprimento muito curto, correspondentes a energias extremamente altas – que estão muito além das capacidades dos atuais e futuros aceleradores de partículas.

Pensamento quântico

Como experimentos reais não podem ser feitos, os físicos usam experimentos mentais para tentar desenvolver uma teoria consistente da gravidade quântica. Estes buscam entender o comportamento de sistemas quânticos sob condições gravitacionais extremas, como as que existem no horizonte de eventos de um buraco negro.

Este é um limite em torno de um buraco negro, além do qual nada – nem mesmo a luz – pode escapar do imenso campo gravitacional do buraco negro. Isso implica que a informação pode entrar em um buraco negro, mas não pode sair.

Este último experimento mental foi desenvolvido por físicos da Universidade de Chicago e da Universidade de Princeton e é descrito em uma pré-impressão no servidor arXiv. O coautor Daine Danielson diz que o experimento considera um observador oculto atrás do horizonte de eventos de um buraco negro.

O experimento mental envolve uma partícula massiva, como um elétron, que é disparada contra uma barreira que contém duas fendas. De acordo com a mecânica quântica, o elétron se comportará como uma onda que difrata pelas duas fendas simultaneamente. Em outras palavras, o elétron está em uma superposição espacial coerente de dois estados, cada um viajando através de sua própria fenda. Se os elétrons atingirem uma tela atrás das fendas, os dois estados são recombinados e criam um padrão de interferência.

Alice e Bob

O novo experimento mental descreve um experimento de dupla fenda conduzido perto de um buraco negro por uma física chamada Alice. Há também um observador chamado Bob que está dentro do buraco negro.

Enquanto Alice conduz seu experimento de fenda dupla, uma teoria quântica da gravidade requer que a partícula massiva interaja com o buraco negro por meio de “grávitons suaves”. Os grávitons são portadores hipotéticos do campo gravitacional e são análogos aos fótons – que são portadores do campo eletromagnético.

Esses grávitons moles podem ser absorvidos pelo buraco negro, onde podem ser medidos por Bob – pelo menos em princípio. Ao fazer várias medições de grávitons moles ao longo do tempo, Bob deve ser capaz de deduzir o estado da superposição quântica no experimento de Alice. Em outras palavras, Bob está fazendo uma medição no experimento de Alice além do horizonte de eventos do buraco negro, de onde ele está causando a decoerência da superposição espacial.

Paradoxo causal

Aí reside o paradoxo. Como Bob pode decifrar o experimento de Alice se a informação não pode sair do horizonte de eventos? De fato, fazer isso viola a causalidade. Danielson e seus colegas argumentam que esse paradoxo só pode ser resolvido se o próprio buraco negro decoerir o experimento de Alice antes que Bob o faça.

Em outras palavras, dizem eles, o buraco negro afeta a superposição quântica da mesma forma que um observador clássico. “Aqui, temos uma situação precisa em que a geometria do próprio universo está dando uma ‘definição’ a uma superposição quântica”, diz Danielson.

Em seu artigo, os pesquisadores argumentam que sua análise também se aplica a outros tipos de horizontes, como o horizonte cosmológico – que define o tamanho do universo observável. Tais experimentos mentais são úteis para investigar as regras fundamentais que uma teoria consistente da gravidade quântica pode um dia ter, dizem os pesquisadores.

“Qualquer teoria da gravidade quântica, por exemplo, deve ter a característica fundamental de que os buracos negros que agem como sistemas quânticos agem como observadores”, diz o coautor Gautam Satishchandran.

Vlatko Vedral, físico quântico da Universidade de Oxford, diz que tem reservas sobre alguns dos tratamentos no artigo. Ele diz que a superposição é tratada de forma quântica, mas os autores tratam o campo gravitacional de fundo – como o próprio buraco negro – de forma clássica. “Não está claro que uma aproximação como essa seja válida no contexto que eles consideram”, diz ele. No entanto, se as conclusões estiverem corretas, Vedral as considera profundas.

O experimento mental sugere que os buracos negros podem servir como uma fonte de irreversibilidade – a destruição de um estado quântico que nunca pode ser totalmente recuperado. Como a gravitação é de alcance infinitamente longo, não importa a que distância um experimento esteja de um buraco negro, diz ele, o efeito de decoerência que os autores calculam seria diferente de zero. Portanto, a criação e recombinação de superposições espaciais quânticas nunca podem ser totalmente eficientes porque “parte [do sistema] está sempre irreversivelmente perdida além do horizonte”, diz ele.

Fonte: physicsworld.com