Poderemos em breve saber como funciona um princípio crucial de Einstein no reino quântico

O enigma de como o princípio de equivalência de Einstein se dá no reino quântico incomodou os físicos durante décadas. Agora, dois pesquisadores podem ter finalmente descoberto a chave que nos permitirá resolver esse mistério.

As teorias físicas de Einstein passaram praticamente em todos os testes de física clássica feitos. Mas quando você chega às menores escalas - o reino quântico - as coisas começam a se comportar de maneira um tanto estranha.

A questão é que não está muito claro como a teoria da relatividade geral e da mecânica quântica de Einstein funciona em conjunto. As leis que governam os dois domínios são incompatíveis entre si e as tentativas de resolver essas diferenças são insuficientes.

Mas o princípio da equivalência - um dos pilares da física moderna - é uma parte importante da relatividade geral. E se puder ser resolvido dentro do reino quântico, isso pode nos dar um apoio para a resolução da relatividade geral e da mecânica quântica.

O princípio da equivalência, em termos simples, significa que a gravidade acelera todos os objetos igualmente, como pode ser observado no famoso experimento de penas e martelo conduzido pelo Comandante da Apollo 15, David Scott, na Lua.

Isso também significa que a massa gravitacional e a massa inercial são equivalentes; para simplificar, se você estivesse em uma câmara selada, como um elevador, seria incapaz de dizer se a força fora da câmara era de gravidade ou aceleração equivalente à gravidade. O efeito é o mesmo.

"O princípio de equivalência de Einstein sustenta que a massa inercial total e gravitacional de qualquer objeto é equivalente, significando que todos os corpos caem da mesma maneira quando sujeitos à gravidade", explicou a física Magdalena Zych, do Centro de Excelência ARC para Engineered Quantum Systems na Austrália.

"Os físicos têm debatido se o princípio se aplica às partículas quânticas, então, para traduzi-las no mundo quântico, precisamos descobrir como as partículas quânticas interagem com a gravidade.

"Percebemos que, para fazer isso, tínhamos que olhar para a massa".

Segundo a relatividade, a massa é mantida unida pela energia. Mas na mecânica quântica, isso fica um pouco complicado. Uma partícula quântica pode ter dois estados de energia diferentes, com diferentes valores numéricos, conhecidos como superposição.

E, uma vez que existe uma superposição de estados de energia, também existirá uma superposição de massas inerciais.

Isso significa - teoricamente, pelo menos - que também deveria haver uma superposição de massas gravitacionais. Mas a superposição de partículas quânticas não é explicada pelo princípio da equivalência.

"Percebemos que tínhamos que observar como partículas em tais estados quânticos da massa se comportam para entender como uma partícula quântica enxerga a gravidade em geral", disse Zych.

"Nossa pesquisa descobriu que para partículas quânticas em superposições quânticas de diferentes massas, o princípio implica restrições adicionais que não estão presentes para partículas clássicas - isso não havia sido descoberto antes."

Essa descoberta permitiu que a equipe reformulasse o princípio da equivalência para explicar a superposição de valores em uma partícula quântica.

A nova formulação ainda não foi aplicada experimentalmente; Mas, segundo os pesquisadores, abre uma porta para experimentos que poderiam testar os limites recém-descobertos.

E oferece uma nova estrutura para testar o princípio da equivalência no reino quântico - dificilmente podemos esperar.

A pesquisa da equipe foi publicada na revista Nature Physics.