Físicos manipularam o próprio vácuo (e olharam para o que aconteceu)

De acordo com a mecânica quântica, o vácuo não é vazio, mas sim preenchido por energia quântica e partículas que entram e saem da existência a cada momento – estranhos sinais conhecidos como flutuações quânticas.

Durante décadas, havia apenas sinais indiretos dessas flutuações quânticas mas, em 2015, investigadores afirmaram que detetaram essas flutuações de forma direta. Agora, os mesmos cientistas alegam que deram mais um passo em frente, manipulando o próprio vácuo e detetando as mudanças nesses estranhos sinais.

Se os resultados forem confirmados, estes investigadores podem ter descoberto uma nova forma de observar e testar a esfera da física quântica sem interferir nela. Isto é importante porque um dos maiores problemas com a mecânica quântica é que sempre que tentamos medir ou observar um sistema quântico, acabamos por destrui-lo.

É aí que o vácuo quântico entra em cena. Em primeiro lugar, vamos pensar nele de uma forma clássica, ou seja, um espaço totalmente vazio de matéria, com a menor energia possível. Não há partículas e nada para interferir com a física pura.

Mas um resultado de um dos princípios fundamentais da mecânica quântica, o famoso princípio da incerteza de Heisenberg, diz que há um limite para o quanto podemos saber sobre partículas quânticas. Como resultado, o vácuo não é vazio, mas cheio de energia e de pares partícula-antipartícula que aparecem e desaparecem de forma aleatória.

Flutuações quânticas

Essas partículas do vácuo são invisíveis, mas influenciam o mundo. Essas flutuações quânticas produzem flutuações nos campos elétricos que podem afetar eletrões. Foi desta forma que cientistas puderam demonstrar indiretamente a sua presença na década de 1940. E, durante décadas, não houve grandes novidades nesta área.

Então, em 2015, um grupo liderado por Alfred Leitenstorfer, investigador da Universidade de Konstanz, na Alemanha, afirmou que as flutuações foram detetadas diretamente ao observar a sua influência nas ondas de luz. Os resultados foram publicados na revista Science.

Para fazer isso, os investigadores dispararam no vácuo um laser de pulso curto, que dura apenas alguns fento-segundos, isto é, um milionésimo de um bilionésimo de segundo. Como resultado, puderam observar pequenas mudanças na polarização da luz. O grupo afirma que essas mudanças foram causadas diretamente por flutuações quânticas.

Esta afirmação ainda está a ser discutida, mas os investigadores levaram a experiência para o próximo nível ao “espremer” o vácuo, e dizem que puderam observar as estranhas mudanças nas flutuações quânticas. “Podemos analisar estados quânticos sem alterá-los na primeira aproximação”, diz Leitenstorfer.

Geralmente, quando se procura pelos efeitos das flutuações quânticas numa única partícula de luz, é necessário detetar essa partícula, ou aumentá-la, para conseguir ver o efeito. E isso poderia remover a assinatura quântica deixada naquele fotão, que é semelhante ao que a equipa fez em 2015.

Vácuo x balão

Desta vez, em vez de ampliar os fotões, o grupo estudou a luz no domínio do tempo. Pode parecer estranho, mas no vácuo, espaço e tempo comportam-se da mesma forma, sendo possível examinar um deles para aprender mais sobre o outro.

Ao fazer isso, a equipa viu que quando espremiam o vácuo, este reagiu mais ou menos como um balão, redistribuindo as flutuações.

Em alguns pontos, as flutuações ficaram mais barulhentas do que o som de fundo do vácuo espremido e, noutros casos, ficaram mais quietas. Leitenstorfer compara este fenómeno com o trânsito: quando há um funil que faz os carros se acumularem atrás de si, assim que os carros conseguem passar por ele a densidade de carros vai diminuir novamente.

O mesmo acontece no vácuo. Conforme é espremido num lugar, a distribuição de flutuações quânticas muda e estas podem acelerar ou diminuir de velocidade.

Outra coisa estranha também acontece: as flutuações em alguns lugares parecem diminuir abaixo do nível de barulho de fundo, que é menor do que o estado normal de locais vazios, algo que os cientistas chamam de “fenómeno espantoso”.

“Como a nova técnica de medição não precisa de absorver os fotões ou ampliá-los para conseguir medi-los, então é possível detetar o som de fundo eletromagnético do vácuo e consequentemente também os desvios controlados desse estado normal, criados pelos investigadores”, dizem numa nota.

A equipa agora está a testar o quão precisa é a técnica e quanto vão poder aprender. Mesmo com resultados impressionantes, é possível que estes cientistas só tenham alcançado medições fracas, um tipo de medição que não interfere no estado quântico, mas também não diz aos investigadores muita coisa sobre estes sistemas.

Se a técnica for comprovada e se revelar eficaz, os cientistas podem usá-la para examinar o “estado quântico da luz”, que é o comportamento invisível da luz no nível quântico que estamos apenas agora a começar a entender.

A investigação mais recente deste grupo foi publicada na revista Nature.