Luz pode esclarecer conexão entre mecânica quântica e relatividade
Redação do Site Inovação Tecnológica - 19/05/2025
[Imagem: Gerado por IA/DALL-E]
Gravidade quântica
Tem havido um grande esforço na comunidade científica para unir duas das teorias de maior sucesso da atualidade, a relatividade e a mecânica quântica.
O objetivo é descobrir como a gravidade, que governa objetos massivos como planetas e estrelas, se encaixa com a mecânica quântica, que governa o comportamento das menores partículas do Universo. Para isso, o foco está centrado na busca de uma teoria quântica da gravidade.
E justamente a luz pode ser o elemento que faltava para lançar alguma luz nessa que é uma das mais importantes tarefas não resolvidas da ciência moderna.
Hansol Noh e colegas das universidades de Seul e Nacional de Seul, na Coreia, e Flórida, nos EUA, descobriram que a polarização da luz - a direção em que ela vibra enquanto viaja - pode se comportar de maneira inesperada quando ela passar por um espaço curvo, como o que é dobrado por um objeto de grande massa.
Normalmente, a polarização da luz muda ligeiramente devido à deformação do espaço pela gravidade, um efeito bem conhecido. Mas a equipe descobriu algo mais profundo: Ao escolher cuidadosamente como a luz é medida, é possível desencadear um efeito estranho chamado não reciprocidade.
"Não reciprocidade significa que a luz se comporta de maneira diferente quando se move para frente, em comparação com quando retrocede," explicou o professor Warner Miller, membro da equipe. "Em outras palavras, ela não 'desfaz' sua torção, mesmo que refaça seu caminho. Isso desafia a crença convencional de que a luz sempre retorna ao seu estado original após percorrer um circuito fechado, especialmente se seu caminho for influenciado apenas pela gravidade."
[Imagem: Hansol Noh et al. - 10.1038/s41598-024-71203-x]
Interferômetro astronômico
O importante é que esse efeito pode ter profundas conexões com a física quântica. Acontece que a chave para o efeito de não reciprocidade está no eixo de quantização - essencialmente, o ângulo em que um polarizador mede a luz. Ajustando esse eixo, os pesquisadores conseguiram aumentar significativamente o efeito.
De fato, a mudança no ângulo de polarização da luz - conhecida como ângulo de rotação de Wigner - pode se tornar até 10 vezes maior do que a causada apenas pela força gravitacional, mesmo em ambientes extremos, como perto de um buraco negro.
"Nós descobrimos uma maneira de amplificar os pequenos efeitos que a gravidade tem na polarização da luz, ajustando o sistema de forma inteligente," comemorou Miller. "Isso nos dá uma nova ferramenta poderosa para investigar como a gravidade e a mecânica quântica podem estar conectadas."
Para isso, a equipe propõe a construção de um interferômetro astronômico, um instrumento altamente sensível composto por satélites que operam no espaço. Esses satélites seriam equipados com polarizadores especialmente orientados, projetados para detectar as mudanças de polarização amplificadas.
Os pesquisadores também sugerem dois projetos específicos. Um combina uma configuração de Hong-Ou-Mandel com um interferômetro de Mach-Zehnder, conhecido por sua precisão e capacidade de filtrar ruídos. O segundo projeto utiliza uma fonte de luz altamente controlada para comparar previsões quânticas com expectativas clássicas. Esses experimentos poderão verificar se esse novo comportamento não recíproco realmente revela como as propriedades quânticas da luz - como spin e polarização - interagem com os campos gravitacionais clássicos.
[Imagem: Hansol Noh et al. - 10.1038/s41598-024-71203-x]
Nova Física
Embora esses propostos experimentos sejam projetados para o espaço, a equipe também acredita que alguns dos efeitos poderiam ser testados em laboratórios em terra, usando espelhos e polarizadores para simular as condições necessárias.
Se comprovadas, essas mudanças não recíprocas na polarização da luz podem se tornar uma ferramenta poderosa, não apenas para elucidar a misteriosa conexão entre a gravidade e a mecânica quântica, mas para explorar o Universo, ajudando a sondar a estrutura do espaço, a natureza da luz e mais.
De fato, o efeito previsto pela equipe pode surgir de qualquer tipo de rotação de polarização, e não apenas daquelas eventualmente causadas pela gravidade. Isso abre caminho para testes de uma Nova Física, uma física além do Modelo Padrão, que hoje explica as partículas e forças conhecidas - isso inclui possíveis violações do Princípio da Equivalência de Einstein ou pistas sobre a gravidade quântica.
"Isso é mais do que apenas um novo experimento - é uma nova maneira de fazer as perguntas mais profundas da física," disse Miller.
Artigo: Non-reciprocity in photon polarization based on direction of polarizer under gravitational fields
Autores: Hansol Noh, Paul M. Alsing, Warner A. Miller, Doyeol Ahn
Revista: Nature Scientific Reports
Vol.: 14, Article number: 20801
DOI: 10.1038/s41598-024-71203-x
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