Todas as forças fundamentais do universo são conhecidas por seguir as leis da mecânica quântica, salvo uma: a gravidade. Encontrar uma forma de encaixar a gravidade na mecânica quântica aproximaria os cientistas de uma “teoria de tudo” que poderia explicar inteiramente o funcionamento do cosmos a partir dos primeiros princípios. Um primeiro passo crucial nesta busca de saber se a gravidade é quântica é detectar a partícula elementar da gravidade, o gravitão, há muito tempo postulada. Em busca do gravitão, os físicos estão agora se voltando para experiências envolvendo supercondutores microscópicos, cristais de queda livre e o brilho do big bang.
A mecânica quântica sugere que tudo é feito de quanta, ou pacotes de energia, que podem se comportar como uma partícula e uma onda – por exemplo, os quanta de luz são chamados de fótons. A detecção de gravitons, o quanta hipotético da gravidade, provaria que a gravidade é quântica. O problema é que a gravidade é extraordinariamente fraca. Para observar diretamente os efeitos minúsculos que um gravitônio teria sobre a matéria, o famoso físico Freeman Dyson notou, um detector de gravitons teria que ser tão maciço que ele colapsa sobre si mesmo para formar um buraco negro.
“Uma das questões com teorias da gravidade quântica é que suas previsões são geralmente quase impossíveis de serem testadas experimentalmente”, diz o físico quântico Richard Norte da Universidade de Tecnologia de Delft, na Holanda. “Esta é a principal razão pela qual existem tantas teorias concorrentes e porque não temos tido sucesso em entender como ela realmente funciona”
Em 2015, entretanto, o físico teórico James Quach, agora na Universidade de Adelaide, na Austrália, sugeriu uma forma de detectar os gravitões, aproveitando sua natureza quântica. A mecânica quântica sugere que o universo é inerentemente difuso – por exemplo, nunca se pode conhecer absolutamente a posição e o impulso de uma partícula ao mesmo tempo. Uma consequência desta incerteza é que o vácuo nunca está completamente vazio, mas sim que o vácuo se faz ouvir com uma “espuma quântica” das chamadas partículas virtuais que entram e saem constantemente da existência. Estas entidades fantasmagóricas podem ser qualquer tipo de quanta, incluindo gravitões.
Décadas atrás, cientistas descobriram que partículas virtuais podem gerar forças detectáveis. Por exemplo, o efeito Casimir é a atração ou repulsão vista entre dois espelhos colocados próximos um do outro no vácuo. Estas superfícies reflexivas se movem devido à força gerada pelos fótons virtuais que piscam para dentro e para fora da existência. Pesquisas anteriores sugeriram que os supercondutores poderiam refletir gravitons mais fortemente do que a matéria normal, então Quach calculou que procurar interações entre duas folhas supercondutoras finas no vácuo poderia revelar um efeito Casimir gravitacional. A força resultante poderia ser aproximadamente 10 vezes mais forte do que a esperada do efeito Casimir padrão baseado em fotões virtuais.
Recentemente, Norte e seus colegas desenvolveram um microchip para realizar esta experiência. Este chip segurava duas placas microscópicas revestidas de alumínio que eram resfriadas quase até zero absoluto, de modo que se tornaram supercondutoras. Uma placa foi fixada a um espelho móvel, e um laser foi disparado contra esse espelho. Se as placas se movessem por causa de um efeito gravitacional Casimir, a freqüência da luz refletindo do espelho mudaria de forma mensurável. Como detalhado online em 20 de julho em Physical Review Letters, os cientistas não conseguiram ver qualquer efeito Casimir gravitacional. Este resultado nulo não exclui necessariamente a existência de gravitões – e, portanto, a natureza quântica da gravidade. Pelo contrário, pode simplesmente significar que os gravitões não interagem com supercondutores tão fortemente quanto o trabalho anterior estimado, diz o físico quântico e ganhador do Prêmio Nobel Frank Wilczek do Instituto de Tecnologia de Massachusetts, que não participou deste estudo e não foi surpreendido por seus resultados nulos. Mesmo assim, diz Quach, esta “foi uma tentativa corajosa de detectar gravitões”
Embora o microchip do Norte não tenha descoberto se a gravidade é quântica, outros cientistas estão buscando uma variedade de abordagens para encontrar efeitos quânticos gravitacionais. Por exemplo, em 2017 dois estudos independentes sugeriram que se a gravidade é quântica poderia gerar uma ligação conhecida como “enredamento” entre partículas, de modo que uma partícula influencia instantaneamente outra, não importa onde qualquer uma delas esteja localizada no cosmos. Um experimento de tabela usando feixes de laser e diamantes microscópicos pode ajudar na busca desse enredamento baseado na gravidade. Os cristais seriam mantidos no vácuo para evitar colisões com átomos, de modo que eles interagissem uns com os outros apenas através da gravidade. Os cientistas deixariam esses diamantes cair ao mesmo tempo, e se a gravidade for quântica, a atração gravitacional que cada cristal exerce sobre o outro poderia enredá-los juntos.
Os pesquisadores procurariam o enredamento através de lasers brilhantes no coração de cada diamante após a queda. Se as partículas nos centros dos cristais girassem de uma maneira, elas fluoresceriam, mas não o fariam se girassem da outra maneira. Se os giros em ambos os cristais estiverem em sincronia mais vezes do que o acaso predizia, isto sugeriria emaranhamento. “Experimentalistas de todo o mundo estão curiosos para aceitar o desafio”, diz o pesquisador de gravidade quântica Anupam Mazumdar, da Universidade de Groningen, na Holanda, co-autor de um dos estudos de emaranhamento.
Outra estratégia para encontrar evidências da gravidade quântica é olhar para a radiação cósmica de fundo de microondas, o brilho tênue do big bang, diz o cosmólogo Alan Guth do M.I.T. Quanta como os gravitões flutuam como ondas, e os comprimentos de onda mais curtos teriam as flutuações mais intensas. Quando o cosmos expandiu espantosamente em tamanho dentro de uma fenda de um segundo após o big bang, de acordo com o modelo cosmológico amplamente apoiado de Guth, conhecido como inflação, esses comprimentos de onda curtos teriam se estendido para escalas mais longas em todo o universo. Esta evidência da gravidade quântica poderia ser visível como redemoinhos na polarização, ou alinhamento, dos fótons da radiação cósmica de fundo de microondas.
No entanto, a intensidade destes padrões de redemoinhos, conhecidos como modos B, depende muito da energia exata e do momento exato da inflação. “Algumas versões da inflação prevêem que esses modos B devem ser encontrados em breve, enquanto outras prevêem que os modos B são tão fracos que nunca haverá qualquer esperança de detectá-los”, diz Guth. “Mas se eles forem encontrados, e as propriedades corresponderem às expectativas da inflação, seria uma evidência muito forte de que a gravidade é quantificada”
Uma outra maneira de descobrir se a gravidade é quântica é procurar diretamente flutuações quânticas em ondas gravitacionais, que se pensa serem constituídas por gravitões que foram gerados logo após o big bang. O Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) detectou pela primeira vez ondas gravitacionais em 2016, mas não é suficientemente sensível para detectar as ondas gravitacionais flutuantes no universo inicial que a inflação se estendeu a escalas cósmicas, diz Guth. Um observatório de ondas gravitacionais no espaço, como o Laser Interferometer Space Antenna (LISA), poderia potencialmente detectar estas ondas, acrescenta Wilczek.
Num artigo recentemente aceite pela revista Classical and Quantum Gravity, contudo, o astrofísico Richard Lieu da Universidade do Alabama, Huntsville, argumenta que o LIGO já deveria ter detectado gravitões se estes transportassem tanta energia como alguns modelos actuais de física de partículas sugerem. Pode ser que o gravitão apenas carregue menos energia do que o esperado, mas Lieu sugere que isso também pode significar que o gravitão não existe. “Se o gravitão não existe de todo, será uma boa notícia para a maioria dos físicos, já que temos tido um tempo tão horrível no desenvolvimento de uma teoria da gravidade quântica”, diz Lieu.
Still, conceber teorias que eliminem o gravitão pode não ser mais fácil do que conceber teorias que o mantenham. “De um ponto de vista teórico, é muito difícil imaginar como a gravidade poderia evitar ser quantizada”, diz Guth. “Não tenho conhecimento de nenhuma teoria sensata de como a gravidade clássica poderia interagir com a matéria quântica, e não consigo imaginar como tal teoria poderia funcionar”