Ações “fantasmagóricas” de Einstein usadas para criar novo detetor de ondas gravitacionais

A primeira deteção direta de ondas gravitacionais, um fenómeno previsto pela teoria geral da relatividade de Einstein de 1915, foi relatada por cientistas em 2016. Desde então, os físicos de todo o mundo têm tentado criar novos e melhores detetores de ondas gravitacionais.

O professor de física Chunnong Zhao e os cientistas Haixing Miao e Yiqiu Ma são membros de uma equipa internacional que criou um projeto particularmente excitante para os detetores de ondas gravitacionais.

O novo projeto é um ótimo avanço porque tem como objetivo medir sinais abaixo de um limite que anteriormente se acreditava ser impossível de ultrapassar – o limite quântico padrão, que é definido pelo princípio da incerteza quântica.

O estudo publicado na revista Nature, mostra que essa barreira pode ser ultrapassável. O uso desta e de outras novas abordagens pode permitir que os cientistas monitorizem colisões de buracos negros e “terramotos espaciais” em todo o universo.

As ondas gravitacionais não são vibrações que viajam pelo espaço, mas sim vibrações do próprio espaço, que já nos mostraram uma grande população de buracos negros. Um estudo mais aprofundado das ondas gravitacionais pode ajudar-nos a entender melhor o nosso universo.

Mas as tecnologias de detetores de ondas gravitacionais podem ter uma importância enorme para além deste aspeto da ciência, porque estão a ensinar os especialistas a medir pequenas quantidades de energia.

Os detetores de ondas gravitacionais usam luz laser para captar pequenas vibrações de espaço criadas quando os buracos negros colidem. As colisões criam vastas explosões gravitacionais, convertendo a massa diretamente em vibrações do espaço.

São necessárias enormes quantidades de energia para fazer o espaço vibrar. Os detetores, que usam espelhos pesados com lasers poderosos, devem conseguir medir o espaço que se estende por apenas um milionésimo de um bilionésimo de metro sobre a escala de quatro quilómetros dos detetores.

Mas, para os astrónomos, isso não é suficientemente bom. Os cientistas precisam de ainda mais sensibilidade para conseguirem ouvir muitos mais “sons” gravitacionais, incluindo o som do momento em que o universo foi criado pelo Big Bang.

Uma ideia fantasmagórica de Einstein

O novo conceito é baseado em trabalhos originais de Albert Einstein. Em 1935, Einstein e os seus colegas Boris Podolsky e Nathan Rosen – os autores do famoso paradoxo EPR – tentaram contrariar a teoria da mecânica quântica, destacando que essa mesma teoria previu correlações absurdas entre partículas amplamente espaçadas.

Einstein provou que, se a teoria quântica estava correta, então os pares de objetos amplamente espaçados poderiam ser entrelaçados como duas moscas presas na teia de uma aranha. Estranhamente, esse entrelaçamento não diminui por mais distante que estejam os objetos.

Albert Einstein chamou esse entrelaçamento de “ação fantasmagórica à distância”, e tinha certeza de que a sua descoberta iria acabar com a teoria da mecânica quântica de uma vez por todas, mas não era suposto. Desde a década de 1980, os físicos demonstraram que o entrelaçamento quântico é real.

Por mais que a odiasse, a previsão de Einstein estava certa e, para seu próprio desgosto, a teoria quântica estava correta: os objetos à distância podiam ser entrelaçados.

Hoje em dia, essa teoria do entrelaçamento tem sido aproveitada para o envio de códigos secretos que não podem ser intercetados. Em todo o mundo, organizações como a Google e a IBM e laboratórios académicos estão a tentar criar computadores quânticos que dependem do entrelaçamento.

Agora, Zhao e os seus colegas querem usar o conceito de entrelaçamento para criar o novo design do detetor de ondas gravitacionais.

Uma nova maneira de medir as ondas gravitacionais

O aspeto mais empolgante é que o novo detetor acaba por ser, na verdade, uma nova maneira de trabalhar a duplicar com detetores que já existem.

Na primeira vez, os fotões no detetor são alterados pela onda gravitacional para capturar as ondas. Na segunda vez, o detetor é usado para alterar o entrelaçamento quântico de tal forma que o ruído não é detetado devido à incerteza quântica.

A única coisa que é detetada é o movimento dos espelhos distantes provocados pela onda gravitacional. O ruído quântico do princípio da incerteza não aparece na medição.

Para fazer o detetor funcionar, é preciso começar com fotões entrelaçados que são criados por um dispositivo chamado “espremedor quântico”. Esta tecnologia foi pioneira na astronomia de ondas gravitacionais na Australian National University, e agora é uma técnica estabelecida.

Vários físicos estão a preparar-se para testar esta nova teoria e encontrar a melhor maneira de a implementar, por exemplo, no detetor de ondas gravitacionais GEO, em Hannover, na Alemanha, que foi essencial para muitas das novas tecnologias que permitiram a descoberta das ondas gravitacionais no ano passado.