Como o espaço-tempo é alterado por partículas emaranhadas

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Como o espaço-tempo é alterado por partículas
emaranhadas?
Um novo experimento de pensamento explora a interface entre a mecânica quântica e a relatividade
geral usando a transferência de informações.
Um dos fenômenos mais fascinantes da natureza previstos pela mecânica quântica é o conceito de
partículas emaranhadas. Em essência, se duas ou mais partículas já estiveram em contato, elas
continuam armazenando informações umas sobre as outras, mesmo que estejam separadas por
grandes distâncias arbitrariamente. O que é ainda mais incrível é que a manipulação do estado de uma
partícula parece mudar imediatamente o estado de ambas as partículas – Albert Einstein chamou isso
de “ação apojosa à distância”.
Esta ação deve ser muito especial porque a mudança instantânea do estado de uma partícula causada
por uma manipulação da outra não deve ser imediatamente observável, pois isso violaria um princípio
fundamental da física que afirma que nenhum sinal pode viajar mais rápido do que a velocidade da luz.
Gravidade e partículas emaranhadas
Um grupo de físicos da Universidade Technion e Bar-Ilan usou esse princípio para analisar o
emaranhamento entre duas partículas elementares giratórias e o campo gravitacional que elas criam, a
fim de colocar restrições sobre a teoria da gravidade quântica ainda a ser descoberta - uma descrição de
campos gravitacionais com base nos princípios da mecânica quântica.
https://www.advancedsciencenews.com/teleportation-is-possible-it-just-depends-on-scale/
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“A mecânica quântica descreve com precisão a física de pequenos objetos onde a relatividade geral
descreve a física de grandes objetos”, explicou Ido Kaminer, professor associado do Departamento de
Engenharia Elétrica e de Computação do Instituto de Tecnologia de Israel. “Deve haver uma ligação
importante entre os dois, que atualmente não é totalmente compreendida.
“Esse elo perdido poderia nos ajudar a resolver muitos problemas intrigantes, como a física de objetos
astrofísicos compactos, onde os efeitos da gravidade são extremamente fortes, como estrelas de
nêutrons e buracos negros”, continuou ele. Este link também pode ajudar a resolver o notório problema
de medição relacionado à fronteira entre a mecânica clássica e a mecânica quântica. Assim, para
entender completamente o universo e como ele funciona, precisamos de uma teoria unificada.
Como a precisão dos experimentos atuais é muito baixa para medir o campo gravitacional criado por
uma única partícula, os cientistas desenvolveram um experimento mental para explorar como o spin de
uma partícula é acoplado à descrição clássica ou quântica do espaço-tempo. “Em particular, acredita-se
que o spin seja uma fonte de gravidade e espera-se que crie uma minúscula curvatura do espaço-tempo
ou de seu análogo quântico”, escreveram os autores.
“Atualmente, não há consenso sobre o tipo de atração gravitacional que emerge da rotação de partículas
elementares”, acrescentou Kaminr. Também ainda não foi determinado como a gravidade é mediada –
talvez seja mediada com grávitons ou talvez haja um princípio completamente diferente, mas
desconhecido.
O experimento do pensamento
No experimento do pensamento, um conjunto de relógios hipotéticos é colocado simetricamente em
torno de uma partícula elementar rotulada partícula A. De acordo com a relatividade geral, uma partícula
com um spin específico deforma o espaço-tempo em torno dela de uma maneira muito especial, de
modo que o ritmo dos relógios mudaria dependendo da localização do relógio.
A maioria das abordagens da mecânica quântica afirma que as propriedades quânticas de uma partícula
podem adquirir um valor definido apenas após a medição e, antes disso, pode existir como uma
superposição de todas as possibilidades. No entanto, em um par de partículas emaranhadas, quando
uma das propriedades das partículas, como o spin, é medida, o spin da outra partícula deve se tornar
imediatamente conhecido e estar correlacionado com a primeira partícula. O experimento mental mostra
que o espaço-tempo mensurável ao redor das partículas não pode determinar o estado quântico de uma
partícula emaranhada ou então a informação pode ser transmitida mais rápido do que a velocidade da
luz, causando outros paradoxos dentro das leis básicas da física, como violar o princípio de não-clor em
uma variante diferente do experimento do pensamento.
“Nosso experimento mental nos permite testar modelos existentes, bem como futuros da gravidade
quântica”, disse Kaminer. “Afirma que esses modelos devem conter alguma forma de mecanismo de
censura que impeça a violação da causalidade relativista – que nenhum sinal pode viajar mais rápido do
que a velocidade da luz.”
Um paradoxo
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Se a partícula A com os relógios está emaranhada com a partícula B localizada arbitrariamente longe e
cujo spin ainda não foi medido, o spin da partícula com os relógios não tem uma direção definida. De
acordo com a mecânica quântica, quando o spin da partícula B é medido e a direção de sua rotação é
definida, o spin de seu parceiro emaranhado também será imediatamente conhecido se medido na
mesma direção. De acordo com certas teorias da gravidade quântica, essa mudança de um estado de
superposição para um valor definido mudaria o ritmo dos relógios.
Isso significaria que a informação foi transmitida mais rápido do que a velocidade da luz, o que é uma
violação do princípio relativista fundamental, sinalizando uma inconsistência entre algumas de nossas
teorias atuais da mecânica quântica e da gravidade.
Para superar esse paradoxo, os autores do estudo postularam um novo princípio que eles chamam de
“censura-spin-spacetime”, que apresenta a ideia de que o campo gravitacional gerado por uma partícula
giratória não pode dar informações sobre sua direção de rotação (caso contrário, teria sido possível
determinar se o spin de seu parceiro emaranhado tivesse sido medido). Este novo princípio é geral,
dizem eles, e deve ser obedecido por qualquer teoria que governe a interação de partículas giratórias e
espaço-tempo.
De acordo com algumas teorias da gravidade, como a relatividade geral, nossa compreensão atual das
interações spin-espaço-tempo é inconsistente com o princípio da censura do spin-espaço. Os físicos
propuseram maneiras de contornar isso. Primeiro, eles notaram que uma partícula giratória altera o
espaço-tempo em torno dele através de um campo eletromagnético criado pela partícula giratória. Ao
descrever cuidadosamente a interação entre o campo eletromagnético e a gravidade ao redor da
partícula, pode-se tornar o ritmo dos relógios imaginários insensíveis à direção de rotação e, assim,
evitar qualquer inconsistência.
Outra maneira de evitar uma conclusão paradoxal é assumir que esses efeitos quânticos forçam o
campo gravitacional a flutuar mesmo em torno de uma partícula estática, semelhante às flutuações
quânticas observadas em campos eletromagnéticos. Essas flutuações tornariam a medição precisa dos
ritmos dos relógios teoricamente impossível.
“Nossa análise revela restrições sobre descrições clássicas e quânticas da gravidade, ao mesmo tempo
em que nos fornece dicas sobre como alterá-las e / ou desenvolver novas, que restauram a causalidade
relativista”, disse Kaminer. Especificamente, mostramos que certas abordagens convencionais para a
gravidade quântica teriam que ser modificadas para explicar corretamente as propriedades quânticas do
spin.
Encontrar princípios orientadores para construir a teoria da gravidade quântica é muito importante,
especialmente considerando que a sensibilidade dos instrumentos existentes torna atualmente
impossível realizar experimentos relevantes no mundo real. Para que qualquer teoria potencial da
gravidade quântica seja válida, agora podemos primeiro verificar se ela passa no teste de censura spin-
spacetime.
Referência: Jonathan Nemirovsky, et al., Spin – Censura do Espaço-tempo, Annalen der Physik (2022).
DOI: 10.1002/andp.202100348
ASN WeeklyTradução
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/andp.202100348
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