Tornado quntico permite estudar buracos negros em laboratrio

Espao

Redação do Site Inovação Tecnológica – 27/03/2024

Anlogo de buraco negro

H muito tempo os cientistas sonham em criar microburacos negros em laboratrio, o que seria um marco na histria da cincia, ajudando a responder questes fundamentais sobre a mecnica quntica e a natureza inexplicvel da fora da gravidade. Havia at esperanas de que o LHC criasse esses microburacos negros, o que at hoje parece no ter acontecido.

Enquanto esses experimentos no se tornam realidade, temos que nos contentar com os chamados “anlogos”, imitaes de buracos negros que, ao preservar uma ou mais das caractersticas da coisa real, nos permitem entend-los um pouco mais.

Foi o que aconteceu agora na Universidade de Nottingham, no Reino Unido, onde uma equipe de vrias instituies conseguiu criar pela primeira vez um vrtice quntico com dimenses suficientes para imitar um buraco negro, o que est permitindo ver com mais detalhes como esses anlogos de buracos negros se comportam e interagem com o seu entorno.

Tornado quntico

Usando hlio resfriado at prximo do zero absoluto, quando o gs se transforma em um superfluido, Patrik Svancara e seus colegas criaram um tornado de dimenses macroscpicas mas que, por ser to frio, ainda preserva os efeitos qunticos.

E, ao observar a dinmica das ondas geradas na superfcie do superfluido, a equipe comprovou que esses tornados qunticos imitam as condies gravitacionais prximas a buracos negros em rotao. As ondas de superfcie se comportam como campos que se propagam em uma geometria curva do espao-tempo.

O elemento crucial para criar essa analogia entre gravidade e fluidos est na manipulao da viscosidade. “O uso de hlio superfluido nos permitiu estudar pequenas ondas de superfcie com maior detalhe e preciso do que em nossos experimentos anteriores usando gua. Como a viscosidade do hlio superfluido extremamente baixa, fomos capazes de investigar meticulosamente sua interao com o tornado superfluido e comparar os resultados com nossas prprias projees tericas,” contou Svancara.

Estrutura do experimento.
[Imagem: Patrik Svancara et al. – 10.1038/s41586-024-07176-8]

Vitamina quntica

Embora de altssima tecnologia e incorporando um bocado de ajustes feitos por experimentao, o aparato lembra muito um liquidificador, com a diferena de que, em vez de lminas que entram em contato com o fluido, a rotao induzida por ms – um m externo girado por um motor eltrico faz os ms internos girarem para formar o vrtice.

Esse “liquidificador quntico” pode conter vrios litros de hlio superfluido, em temperaturas inferiores a -271 C. A essa temperatura o hlio lquido adquire propriedades qunticas incomuns, que normalmente impedem a formao de vrtices gigantes em outros fluidos qunticos, como gases atmicos ultrafrios ou fluidos qunticos de luz. Neste novo aparato, a interface do hlio superfluido funciona como uma fora estabilizadora para esses objetos.

“O hlio superfluido contm pequenos objetos chamados vrtices qunticos, que tendem a se espalhar uns dos outros. Em nossa configurao, conseguimos confinar dezenas de milhares desses quanta em um objeto compacto semelhante a um pequeno tornado, alcanando um fluxo de vrtice com fora recorde no domnio dos fluidos qunticos,” disse Svancara.

As ondas formadas na superfcie do vrtice quntico permitem estudar como o espao-tempo se curva.
[Imagem: Patrik Svancara et al. – 10.1038/s41586-024-07176-8]

Melhoria das simulaes

Os primeiros resultados mostraram paralelos interessantes entre o fluxo do vrtice e a influncia gravitacional dos buracos negros no espao-tempo ao seu redor. Isso servir de embasamento para melhorar as simulaes de teorias qunticas de campos em computador, que buscam compreender o complexo reino dos espaos-tempos curvos – pela teoria atual, so essas curvaturas que do origem fora da gravidade.

“Quando observamos pela primeira vez assinaturas claras da fsica dos buracos negros na nossa experincia analgica inicial em 2017, foi um momento inovador para a compreenso de alguns dos fenmenos bizarros que so muitas vezes desafiadores, se no impossveis, de estudar de outra forma,” disse a professora Silke Weinfurtner, referindo-se ao experimento anterior da equipe, quando um buraco negro foi simulado em uma banheira.

“Agora, com o nosso experimento mais sofisticado, levamos esta pesquisa para o prximo nvel, o que poder eventualmente nos levar a prever como os campos qunticos se comportam em espaos-tempos curvos em torno de buracos negros astrofsicos,” concluiu Weinfurtner, que tambm estuda o vcuo quntico e os buracos negros usando ondas de som.

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