Física Quântica - Flutuações no vazio

Caros Leitores,

Na física quântica, o vácuo não é vazio, mas sim mergulhado em pequenas flutuações do campo eletromagnético. Até recentemente, era impossível estudar essas flutuações de vácuo diretamente. Pesquisadores da ETH Zurich desenvolveram um método que permite caracterizar as flutuações em detalhes.

Flutuações de vácuo para o campo electromagnético (linhas coloridas) pode ser medido através do seu efeito em dois feixes de laser (vermelho) que se propagam através de um cristal . (Visualização: ETH Zurich.

O vazio não é realmente vazio - não de acordo com as leis da física quântica, pelo menos. O vácuo, no qual classicamente supõe-se que seja literalmente “nada”, está repleto das chamadas flutuações de vácuo de acordo com a mecânica quântica. Essas são pequenas excursões, por exemplo, de um campo eletromagnético que, em média, chega a zero com o tempo, mas pode desviar-se dele por um breve momento. Jérôme Faist, professor do Instituto de Eletrônica Quântica da ETH em Zurique, e seus colaboradores conseguiram agora caracterizar diretamente essas flutuações de vácuo pela primeira vez.

“As flutuações do vácuo no campo eletromagnético têm consequências claramente visíveis e, entre outras coisas, são responsáveis pelo fato de que um átomo pode emitir espontaneamente luz”, explica Ileana-Cristina Benea-Chelmus, recém-formada PhD no laboratório Faists e primeira autor do estudo recentemente publicado na revista científica Nature. “Para medi-los diretamente, no entanto, parece impossível à primeira vista. Os detectores tradicionais, por exemplo, para a luz, como os fotodiodos, baseiam-se no princípio de que as partículas de luz - e, portanto, a energia - são absorvidas pelo detector. No entanto, a partir do vácuo, que representa o menor estado de energia de um sistema físico, nenhuma outra energia pode ser extraída ”. 

Detecção de eletro-óptica

Sininhos minúsculos
Medindo flutuações de vácuo exóticas
Referência

Faist e seus colegas, portanto, decidiram medir diretamente o campo elétrico das flutuações. Para esse fim, eles usaram um detector baseado no chamado efeito eletro-óptico. O detector consiste em um cristal no qual a polarização (a direção da oscilação, isto é) de uma onda de luz pode ser girada por um campo elétrico - por exemplo, pelo campo elétrico das flutuações de vácuo. Desta forma, esse campo elétrico deixa uma marca visível na forma de uma direção de polarização modificada da onda de luz. Dois pulsos de laser muito curtos (com duração de uma fração de um milésimo de um bilionésimo de segundo) são agora enviados através do cristal em dois pontos diferentes e em momentos ligeiramente diferentes, e depois suas polarizações são medidas. A partir dessas medições,

Para se certificar de que os campos elétricos assim medidos realmente resultam das flutuações do vácuo e não da radiação térmica do corpo negro, os pesquisadores esfriaram todo o aparato de medição para menos de 269 graus centígrados. Em temperaturas tão baixas, essencialmente, nenhum fóton da radiação térmica permanece dentro do aparelho, de forma que quaisquer flutuações do campo elétrico sejam deixadas no vácuo. “Ainda assim, o sinal medido é absolutamente minúsculo”, admite Faist, professor da ETH, “e nós realmente tivemos que maximizar nossa capacidade experimental de medir campos muito pequenos.” Segundo Faist, outro desafio é que as freqüências das flutuações eletromagnéticas são medidas usando o detector eletro-óptico encontra-se na faixa de terahertz, isto é, em torno de alguns milhares de bilhões de oscilações por segundo. Em seu experimento, os cientistas da ETH ainda conseguiram medir campos quânticos com uma resolução que está abaixo de um ciclo de oscilação de luz no tempo e no espaço.

Os pesquisadores esperam que no futuro eles possam medir ainda mais os casos exóticos de flutuações de vácuo usando seu método. Na presença de fortes interações entre fótons e matéria, que podem ser alcançadas, por exemplo, dentro de cavidades ópticas, de acordo com cálculos teóricos, o vácuo deve ser preenchido com uma multiplicidade de chamados fótons virtuais. O método desenvolvido por Faist e seus colaboradores deve possibilitar o teste dessas previsões teóricas. 

Benea-Chelmus IC, Settembrini F, Scalari G, Faist J: Medições de correlação de campo elétrico no estado de vácuo eletromagnético. Nature 2019, 568: 202, doi: 10.1038 / s41586-019-1083-9

Moskalenko AS, Ralph TC: Correlações detectadas em um vácuo quântico. Nature 2019, 568: 178, doi: 10.1038 / d41586-019-01083-z

Fonte:  Por:  Oliver Morsch   / ETHZ.CH

 https://www.ethz.ch/en/news-and-events/eth-news/news/2019/04/fluctuations-in-the-void.html      

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HélioR.M.Cabral (Economista, Escritor e Pesquisador Independente na Astronomia, Astrofísica, Astrobiologia e Climatologia).

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