Agora que o LIGO descobriu o sinal das ondas gravitacionais, parte da teoria de Einstein foi confirmada, prevendo que a própria estrutura do espaço deveria ser coberta por ondulações e ondas. E isso levanta muitas questões interessantes, incluindo as seguintes:
As ondas gravitacionais devem mostrar dualidade onda-partícula e, se sim, os físicos do LIGO já descobriram maneiras de testar isso, como algum tipo de experimento com duas fendas?
A dualidade onda-partícula é uma das conseqüências mais estranhas da mecânica quântica conhecidas por nós.
Tudo começa de maneira simples: a matéria consiste em partículas, átomos e seus componentes e radiação - em ondas. A partícula é visível, pois exibe propriedades como colisões ou quedas, adere a outras partículas, troca energia, liga, etc. E a onda pode ser determinada por difração e interferência consigo mesma. Newton acreditava incorretamente que a luz é composta de partículas, mas outros, por exemplo, Huygens (seu contemporâneo) e estudiosos do início do século XIX, Young e Fresnel, mostraram com certeza que a luz mostra propriedades que não podem ser explicadas, a menos que você a considere como a onda. O mais óbvio deles é a passagem da luz através de uma fenda dupla: a imagem na tela de fundo mostra que a luz interfere tanto construtivamente (pontos brilhantes aparecem) quanto destrutivamente (pontos escuros aparecem).
A interferência é uma propriedade de onda; portanto, o experimento "provou" que a luz é uma onda. Mas no começo do século 20, tudo ficou um pouco confuso quando o efeito fotoelétrico foi descoberto. Se você brilhar em um material específico, a luz periodicamente nocauteará elétrons. Se você tornar a luz mais vermelha (diminuir a energia) - aumentando ainda mais sua intensidade - os elétrons deixarão de bater. Mas se você o tornar azul (aumentar a energia), mesmo se você aumentar fortemente a eficiência, a luz ainda irá nocautear os elétrons. Logo depois, descobriu-se que a luz é quantizada em fótons e que fótons individuais podem se comportar como partículas, batendo elétrons na energia certa.
Abaixo de um certo limite, a energia de ionização não ocorreAo longo do século 20, resultados ainda mais estranhos apareceram:
• Fótons separados, passando por duas fendas uma de cada vez, interferirão entre si e darão uma imagem correspondente à onda.
• Os elétrons, sendo partículas, também exibem interferência e difração.
• Se você medir através de qual fenda específica o fóton ou o elétron passa, o padrão de interferência não funcionará - e se você não medir, isso acontecerá.
Parece que cada partícula que observamos pode ser descrita como uma onda e como uma partícula. Além disso, a física quântica diz que é necessário descrevê-lo assim e que ao mesmo tempo, caso contrário, não obteremos resultados consistentes com os experimentos.
Passamos para ondas gravitacionais. Eles são únicos, porque até agora só observamos suas manifestações de ondas, mas não observamos que eles se comportam como partículas. No entanto, assim como as ondas de água são compostas de partículas, as ondas gravitacionais devem ser compostas de partículas. Essas partículas devem ser gravitons, transmitindo a força da gravidade, e devem aparecer como conseqüência do fato de que a gravidade é, por natureza, uma interação quântica.
Como esta é uma onda, a julgar pelas observações, se comportando exatamente como previsto pela Teoria Geral da Relatividade, podemos concluir com segurança que ela continuará a se comportar como todas as entidades de ondas previstas por GR. Em detalhes, eles são um pouco diferentes de outras ondas que nos são familiares: não são ondas escalares, como ondas na água, e não ondas vetoriais, como a luz, nas quais os campos elétrico e magnético oscilam em fase. São ondas tensoras, fazendo com que o espaço se contraia e se expanda na direção perpendicular à medida que a onda se propaga.
Em muitos aspectos, essas ondas se comportam da mesma maneira que qualquer outra, incluindo a propagação em um meio a uma certa velocidade (com a velocidade da luz ao longo do próprio tecido do espaço), interferindo em outras ondas no espaço, estrutural e destrutivamente, movendo-se ao longo da superfície já a curvatura existente do espaço-tempo, e se essas ondas pudessem experimentar difração - talvez ao passar por uma fonte de gravidade tão forte como um buraco negro - elas o fariam. Além disso, sabe-se que, com a expansão do Universo, essas ondas se comportarão da mesma forma que todos os outros: esticar e expandir juntamente com o espaço de fundo do Universo.
Então a questão é como verificar sua parte quântica? Como procurar a natureza corpuscular da onda gravitacional? Em teoria, uma onda gravitacional é semelhante à animação acima, mostrando como a visibilidade de uma onda surge de uma multidão de partículas se movendo em círculos - essas partículas serão gravitons e a onda resultante foi registrada pelo LIGO. Há todas as razões para acreditar que temos gravitons, que:
Ter rotação 2,
• não tem massa,
• se mover na velocidade da luz,
• interagir apenas através da gravidade.
As restrições obtidas com o LIGO sobre a massa gravitacional são muito boas: se tiver massa, não excederá 1,6 * 10
-22 eV / c
2 , ou seja, 10
28 vezes mais leve que um elétron. Mas até encontrarmos uma maneira de testar a gravidade quântica com ondas gravitacionais, não saberemos se os gravitons exibem dualidade onda-partícula.
Existem algumas chances para isso, embora seja improvável que o LIGO tenha sucesso. Veja bem, os efeitos da gravidade quântica são mais pronunciados onde campos gravitacionais muito fortes interagem a distâncias muito curtas. Existe uma maneira melhor de verificar isso do que observar a fusão de buracos negros? Quando duas singularidades se fundem, esses efeitos quânticos - cujo ponto de partida deve ser GRT - aparecem no momento da fusão, pouco antes e imediatamente depois. Precisamos rastrear fenômenos ao longo de períodos medidos em picossegundos, não os microssegundos ou milissegundos aos quais o LIGO é sensível - mas isso pode não ser possível. Em princípio, desenvolvemos pulsos de laser operando na escala de femtossegundos ou até um segundo (10
-15 s - 10
-18 s), para que possamos organizar potencialmente uma sensibilidade que rastreia pequenos desvios da relatividade se você iniciar muitos desses interferômetros. Isso exigirá um grande salto na tecnologia, uma redução significativa no ruído e um aumento na sensibilidade. Mas tecnicamente isso não é impossível - é apenas muito difícil!
Se você precisar de mais informações, acabei de gravar um vídeo com uma história sobre ondas gravitacionais, LIGO e o que aprendemos sobre elas.
Nosso tópico está especialmente preocupado com a última pergunta, que diz sobre como podemos testar a natureza corpuscular dos gravitons, o que completaria o quadro da dualidade onda-partícula do Universo. Acreditamos que isso se tornará verdade, embora certamente não saibamos. Espero que nossa curiosidade nos faça investir nesses estudos, que a natureza brinque conosco e que vamos descobrir!