Pesquisadores liderados pela Universidade de Warwick apresentaram a primeira abordagem unificada para identificar “oscilações espaço-temporais” – as pequenas distorções aleatórias na estrutura do espaço-tempo que aparecem em muitas tentativas de vincular a física quântica à gravidade.
Estas pequenas variações foram propostas pela primeira vez pelo físico John Wheeler e espera-se que apareçam em várias teorias importantes da gravidade quântica. No entanto, diferentes teorias prevêem diferentes tipos de oscilações, tornando difícil para os cientistas experimentais saberem exactamente que sinais procurar.
Convertendo teoria em sinais mensuráveis
Um novo estudo publicado em Comunicações da naturezaresolve esse problema agrupando as flutuações do espaço-tempo em três categorias principais com base em como elas se comportam no espaço e no tempo. Para cada categoria, a equipe identificou padrões precisos e mensuráveis que podem ser detectados com interferômetros laser, desde sistemas de grande escala, como o LIGO de 4 km de comprimento, até instalações experimentais menores, como QUEST e GQuEST, que estão sendo desenvolvidos no Reino Unido (Universidade de Cardiff) e nos EUA (Instituto de Tecnologia da Califórnia), respectivamente.
Sharmila Balamurugan, professora associada da Universidade de Warwick e primeira autora, disse:”Diferentes modelos de gravidade prevêem tendências subjacentes muito diferentes nas flutuações aleatórias do espaço-tempo, e isso deixou os experimentalistas sem um alvo claro. Nosso trabalho fornece o primeiro guia unificado para traduzir essas previsões teóricas abstratas em sinais concretos e mensuráveis.
“Isso significa que agora podemos testar toda uma classe de previsões da gravidade quântica usando interferômetros existentes, em vez de esperar por tecnologias inteiramente novas. Este é um passo importante para trazer algumas das questões mais fundamentais da física firmemente para o domínio experimental.”
O que o estudo mostrou
As descobertas destacam várias ideias importantes sobre como diferentes instrumentos podem detectar essas flutuações:
- Os interferômetros de mesa superam o LIGO em rendimento.
Apesar de seu tamanho muito menor, sistemas como QUEST e GQuEST podem oferecer informações mais detalhadas sobre as flutuações espaço-temporais. Sua faixa de frequência mais ampla permite capturar todos os padrões de sinais principais. - LIGO é um ótimo detector de sim/não.
Devido aos seus longos braços, o LIGO é muito sensível à existência de flutuações no espaço-tempo. No entanto, as frequências relevantes estão além da faixa atualmente disponível nos dados disponíveis ao público. - O debate de longa data foi resolvido.
O estudo aborda a questão contínua de saber se as cavidades nos braços melhoram a detecção. Os resultados mostram que aumentam a sensibilidade dependendo do tipo de oscilação que está sendo estudada.
Sander Vermeulen, do Caltech Institute, co-autor do estudo, disse: “Os interferômetros podem medir o espaço-tempo com extraordinária precisão. No entanto, para medir as flutuações do espaço-tempo com um interferômetro, precisamos saber onde – isto é, em que frequência – olhar e como será o sinal. Com nossa estrutura, agora podemos prever isso para uma ampla gama de teorias. Nossos resultados mostram que os interferômetros são ferramentas poderosas e versáteis na busca pela gravidade quântica. “
Uma ferramenta flexível para física fundamental
Uma vantagem importante deste quadro é que não depende de qualquer explicação sobre como surgem estas flutuações. Em vez disso, são necessárias apenas uma descrição matemática das oscilações propostas e detalhes da configuração de medição. Essa flexibilidade o torna útil não apenas para estudar a gravidade quântica, mas também para investigar ondas gravitacionais aleatórias, possíveis sinais de matéria escura e alguns tipos de ruído experimental.
O Professor Animesh Datta, Professor de Física Teórica em Warwick, concluiu: “Com esta metodologia, podemos tratar qualquer modelo proposto de flutuações espaço-temporais de uma forma consistente e comparável. Nos próximos anos, podemos usar isto para desenvolver interferómetros de bancada mais inteligentes para confirmar ou refutar possíveis teorias de gravidade quântica ou semiclássica, e até testar novas ideias sobre matéria escura e ondas gravitacionais aleatórias.”
Este trabalho foi financiado pelo programa STFC Quantum Technologies for Fundamental Physics do Reino Unido (números de subvenção ST/T006404/1, ST/W006308/1 e ST/Y004493/1) e pelo Leverhulme Trust sob Research Grant ECF-2024-124 e RPG-2019-022.
