Durante a temporada de Natal de 2019, quatro físicos observaram duas minúsculas esferas de ouro, cada uma do tamanho de uma joaninha, em um laboratório de Viena, na Áustria. Estava tudo silencioso, de todas as maneiras que você pode imaginar: audivelmente, sismicamente, até eletromagneticamente. Tinha que ser, já que os pesquisadores estavam tentando detectar a influência da gravidade de uma esfera sobre a outra.
De fato, eles conseguiram detectar pela primeira vez um campo gravitacional em escala tão pequena. Uma das bolas douradas (a “massa fonte”) foi vista balançando a outra esfera, muito levemente. Os resultados da equipe foram publicados na quarta-feira (10) na Nature.
“Se você pegar nosso pequeno planeta de ouro, um objeto na superfície do planeta cairia a uma velocidade 30 bilhões de vezes mais lenta em comparação com a velocidade com que os objetos caem na Terra”, Markus Aspelmeyer, físico quântico da Universidade de Viena e coautor do artigo, disse em uma chamada de vídeo. “Esta é a magnitude da qual estamos falando”.
Investigações sobre a gravidade, uma das forças fundamentais da natureza e talvez a mais perceptível, tendem a acontecer nas escalas mais massivas e em miniatura. Estudar grandes gravidades significa lidar com massas distantes, como análises de buracos negros e estrelas de nêutrons espalhados pelo cosmos. Mas a melhor compreensão das menores forças acontece aqui na Terra, onde os pesquisadores podem controlar o ambiente de seus experimentos com uma facilidade infinitamente maior do que no espaço.
Para a equipe de Aspelmeyer, esse controle significava abafar variáveis que poderiam atrapalhar os resultados da equipe, desde um pesquisador se aproximando muito das orbes de ouro durante o teste até o tráfego externo. Os físicos intencionalmente conduziram os experimentos durante as férias, quando menos veículos estariam circulando do lado de fora e a movimentação dos negócios vienenses diminuiria, pois as pessoas estariam em casa com suas famílias.
“Você precisa fazer alguns truques”, disse Aspelmeyer, “para distinguir a aceleração da massa fonte das acelerações de todas as outras massas.”
O ouro foi escolhido para a massa fonte porque é pesado, denso, pode ser bastante puro e os físicos conseguem facilmente compreender todas as propriedades da massa. Eles compraram o ouro destinado à pesquisa de física fundamental em um ourives local em Viena, que o fabricou especificamente de acordo com a escala.
No experimento, as pequenas esferas de ouro foram separadas por um escudo de Faraday, para evitar qualquer interferência eletromagnética. Uma das esferas foi presa a uma barra horizontal pendurada no teto com um espelho nela, e a outra — a massa que exercia um campo gravitacional — foi movida intermitentemente. Um laser foi apontado para o espelho, e os movimentos incrementais da esfera na extremidade receptora desse minúsculo campo de força foram registrados nos movimentos do laser com precisão.
O campo foi medido detectando o efeito do movimento de uma esfera de ouro em outra. Imagem: Tobias Westphal, Universidade de Viena
“A detecção de um sinal gravitacional tão minúsculo é em si um resultado empolgante, mas os autores foram ainda mais longe ao determinar um valor para G [gravidade] a partir de seu experimento”, disse Christian Rothleitner, físico do Physikalisch-Technische Bundesanstalt na Alemanha e que não estava afiliado ao estudo, em um artigo comentando o trabalho. “O experimento é, portanto, o primeiro a mostrar que a lei da gravidade de Newton é válida mesmo para massas fonte tão pequenas quanto essas.”
Este não é o fim dessas pesquisas gravitacionais minúsculas. Eventualmente, os físicos esperam medir os campos gravitacionais em um estado quântico, reconciliando assim o fato de que a relatividade geral, a teoria que melhor explica a gravidade, não pode ser explicada em termos da mecânica quântica. Quanto mais minuciosas as medições dos campos, mais perto os pesquisadores chegam de responder às grandes questões, como por que a matéria escura é invisível, mas ainda contribui para a massa do universo.
Bem antes desses experimentos em pequena escala acontecerem, a equipe trabalhará com massas não quânticas menores.
“O principal fator limitante no momento ainda é o ruído ambiental, o que não significa necessariamente uma configuração experimental diferente”, disse o coautor Hans Hepach, físico da Universidade de Viena, na mesma chamada de vídeo. “O fator fundamentalmente limitante do experimento atual é o ruído térmico da suspensão do pêndulo. Assim, eliminar a suspensão e levitar a massa de teste (por exemplo, magneticamente) permitiria massas menores.”
Os experimentos gravitacionais revelaram uma nova pequena escala para a força mais fraca do universo. Para detectá-la, foi necessário um ambiente de laboratório muito controlado e matemática diligente. Da próxima vez que você estiver em Viena, lembre-se de ficar em silêncio. Os físicos estão trabalhando.