Os cientistas conseguiram medir o menor campo gravitacional já registrado, um avanço que poderia abrir novos caminhos de pesquisa em mistérios cósmicos fundamentais, como a existência de matéria escura, a possibilidade de dimensões extras e a natureza quântica da gravidade.
Uma equipe de pesquisadores com sede em Viena, Áustria, demonstrou o acoplamento gravitacional entre duas esferas de ouro que mediam cerca de dois milímetros de diâmetro, aproximadamente o tamanho de grãos de areia, que representam “o menor objeto único cujo campo gravitacional foi medido”, de acordo com um artigo publicado na quarta-feira na Nature.
Hans Hepach e Jeremias Pfaff, estudantes de PhD da Universidade de Viena que são co-autores do novo estudo, disseram que a equipe estava “muito entusiasmada” e “aliviada ao mesmo tempo” pelo sucesso desta nova experiência, dada a alta precisão necessária para conduzir o teste.
Hepach e Pfaff informaram por e-mail:
“Estávamos muito confiantes de que poderíamos construir um sensor para essas pequenas forças, mas continua sendo um desafio tecnológico para realmente fazê-lo.
É fascinante que seja possível isolar a gravidade, especialmente se considerarmos que nosso experimento foi sensível o suficiente para detectar o primeiro finalizador da Maratona da Cidade de Viena cruzando a linha de chegada a cerca de dois quilômetros de distância.”
Você pode confundir isso com uma descrição figurativa da sensibilidade do experimento, mas a equipe realmente captou as festividades que eclodiram quando o vencedor passou a linha de chegada. Hepach e Pfaff explicaram que a equipe monitorou continuamente as perturbações ambientais com seus instrumentos e foi capaz de detectar o aumento do ruído enquanto os atletas corriam pelo seu prédio e quando a corrida era ganha.
Eles disseram:
“Não houve registro de terremotos naquela época, então concluímos que nosso sinal deve ter partido das comemorações.”
A gravidade é uma das quatro forças fundamentais conhecidas pela ciência, junto com o eletromagnetismo e as forças nucleares fortes e fracas. Mas, embora seja talvez a força mais conhecida em nossa vida diária, a gravidade é a excentricidade científica do quarteto de forças. O modelo padrão da física de partículas, uma teoria altamente corroborada que classifica as partículas elementares e suas interações, pode explicar as outras três forças, mas não pode explicar a gravidade.
A teoria da relatividade geral de Einstein, em contraste, explica as forças gravitacionais em grandes escalas, mas esta teoria não é coerente com as leis da mecânica quântica que existem nos minúsculos reinos de átomos e partículas. Unir a relatividade geral com a mecânica quântica, e assim descrever a “gravidade quântica” (gravidade que existe em escalas quânticas), é uma das principais buscas da física moderna.
Por esse motivo, os cientistas estão ansiosos para medir as atrações gravitacionais em escalas cada vez menores, mas isso não é uma tarefa fácil. A gravidade é a mais fraca de todas as forças fundamentais, o que significa que as interrupções de fontes sísmicas, eletromagnéticas e até de outras fontes gravitacionais podem sobrepujar o sinal diminuto de um campo gravitacional.
Para contornar esse problema, Hepach, Pfaff e os co-líderes de estudo Tobias Westphal e Markus Aspelmeyer – todos pertencentes ao Grupo Aspelmeyer da Universidade de Viena – encontraram meticulosamente maneiras de filtrar a interferência externa com o acoplamento gravitacional entre uma massa de fonte aterrada e uma massa de teste móvel, ambas pesando cerca de 90 miligramas.
Por exemplo, a interrupção eletromagnética foi silenciada conectando a massa da fonte a uma câmara de vácuo e reduzindo a carga da massa de teste usando nitrogênio ionizado, uma técnica inspirada por detectores de ondas gravitacionais altamente sensíveis. Um escudo de alumínio banhado a ouro colocado entre as massas suprimia ainda mais o ruído eletrostático.
A equipe também fez suas medições “durante a temporada de Natal sismicamente tranquila”, de acordo com o estudo, o que reduziu a interferência antropogênica com o campo gravitacional.
Hepach e Pfaff observaram:
“Projetar, construir e testar nosso aparelho levou tempo, então certamente foi uma coincidência de sorte estarmos prontos para medir pouco antes das férias.
No entanto, a essa altura já havíamos percebido o quanto somos sensíveis ao ambiente urbano. Por exemplo, poderíamos rastrear os horários dos ônibus noturnos e até distinguir aqueles que vão para o centro da cidade daqueles que vão para o outro lado apenas olhando nossos dados de medição. Portanto, garantimos que poderíamos nos beneficiar com a temporada de férias.”
Felizmente, todas essas precauções valeram a pena. Quando a massa de teste foi movida para mais perto da massa fonte, a equipe foi capaz de isolar o campo gravitacional entre as esferas de ouro, que era igual a uma fração extremamente pequena de Newton, uma unidade de força.
O novo marco é emocionante em seus próprios méritos, mas talvez a maior conclusão do estudo sejam suas implicações para pesquisas futuras em campos gravitacionais de pequena escala. Eventualmente, os cientistas esperam ser capazes de estudar a gravidade em escalas quânticas para resolver questões tentadoras sobre seu comportamento neste reino, embora isso “continue sendo um desafio experimental completamente diferente” do novo teste em miliescala, observou a equipe no estudo.
Hepach e Pfaff disseram:
“Do lado experimental, é uma boa ideia incluir técnicas de medição desenvolvidas para detectores de ondas gravitacionais, por exemplo. Todos os experimentos envolvidos na detecção e medição do acoplamento gravitacional sofrem do mesmo problema, ou seja, isolar o objeto sob investigação de todas as outras influências.
Portanto, os avanços nas técnicas de medição, medições quânticas e microfabricação irão beneficiar todos os experimentos que visam resolver essas questões em aberto.”
Se os avanços ao longo dessas linhas continuarem a ser feitos, os experimentos podem acabar restringindo as teorias sobre a matéria escura, uma substância não luminosa que os cientistas acreditam ser muito mais comum no universo do que a matéria comum que forma estrelas e planetas. A matéria escura foi proposta como uma forma de explicar as estranhas forças gravitacionais que parecem estar influenciando estrelas e galáxias em grandes escalas, e uma melhor compreensão dos fundamentos da gravidade poderia ajudar a resolver sua natureza, ou lançar luz sobre se ela existe em todo.
Esta técnica experimental também pode revelar novos visões sobre outras teorias exóticas em cosmologia e física. Por exemplo, a energia escura, uma fonte de energia desconhecida que parece estar acelerando a expansão do universo, e a teoria das cordas, uma proposta de que o universo contém dimensões extras que vão além das quatro que os seres humanos podem sentir, ambas se sobrepõem aos mistérios não resolvidos de gravidade. Essas são apenas algumas das novas e empolgantes direções que podem eventualmente se desenvolver ou se basear na nova técnica experimental desta equipe.
Hepach e Pfaff informaram:
“Já estamos investigando as teorias restritivas da energia escura e da gravidade modificada com nosso conjunto de dados atual. Mas expandir nossa pesquisa para massas menores, bem como distâncias menores, nos colocará em uma posição de colocar restrições ainda mais rígidas sobre os desvios das leis da gravitação conhecidas.
Acima de tudo, somos motivados pela questão de como é o campo gravitacional de um sistema quântico. Embora a gravidade seja onipresente, nossa compreensão da força subjacente é incompleta e encontrar pistas sobre como a gravidade funciona no nível quântico pode nos ajudar a responder a essas perguntas.”
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