Criação de partículas pelo vácuo pode ter sido demonstrada em laboratório

Um dos conceitos mais difíceis de digerir na mecânica quântica relativística é o fato de que afirmar que “ali há uma partícula” é algo relativo. É devido a este fenômeno que um universo em expansão cria partículas espontaneamente, processo que acredita-se hoje deve ter sido o responsável por popular o nosso universo com prótons, elétrons, fótons, e todo o resto da matéria. É também esse o mesmo fenômeno da radiação Hawking que todo buraco negro emite. Esse efeito pode ter sido observado pela primeira vez em laboratório por Chris Wilson da Universidade Chalmers de Tecnologia de Gothenburg, Suécia, e colaboradores no RIKEN, Japão, New South Wales em Sidney e Michigan em Ann Arbor, EUA^[4].

Em poucas palavras, o que eles observaram foi que um espelho se movendo no vácuo com aceleração não uniforme e velocidade próxima da luz, emite luz a uma taxa proporcional ao quadrado da velocidade do espelho em relação ao vácuo.

Este efeito foi previsto em 1970 pelo físico-matemático Gerald More e é mais conhecido como efeito Casimir dinâmico. Na prática, é quase impossível mover um espelho rápido o suficiente para criar uma taxa de partículas apreciável. Por exemplo, um espelho oscilando na frequência de 1 GHz com uma amplitude de 1 nm teria uma velocidade 10 milhões de vezes menor que a velocidade da luz, produzindo apenas um único fóton por dia, mas exigiria 100 MW de potência e o sistema inteiro deve estar a menos de 10 mK de temperatura^[1]. Para uma comparação, uma usina de carvão produz cerca de 400-700 MW de potência elétrica.

O esquema realizado por Chris Wilson consistiu em usar uma guia de onda^[5] com um SQUID preso em uma das extremidades. O SQUID é um dispositivo eletrônico cuja indutância pode ser finamente calibrada. A presença do SQUID no final da guia resulta em uma probabilidade alta de uma onda eletromagnética ser refletida no ponto próximo ao SQUID. Alterando a indutância do dispotivo, esse ponto pode ser deslocado no espaço. Desse modo, eles obtiveram um espelho que se move a velocidades de até 5% da velocidade da luz. Eles observam então a potência irradiada dentro da guia de luz quando o espelho efetivo começa a se mover. Algumas correlações entre voltagens previstas teoricamente são também comparadas com as medidas experimentais para ter certeza que o efeito é mesmo a criação de partículas no vácuo. Esse esquema experimental foi pela primeira vez proposto por Astrid Lambrecht, Instituto Max Planck de Óptica Quântica, Marc-Thierry Jaekel e Serge Reynaud da Ecole Normal^[3].

Esquema experimental para demonstração do efeito Casimir dinâmico. Crédito da Figura: Ref. [2].

Criação de partículas pelo vácuo

Nesse outro post eu tentei explicar em termos simples como o conceito de partícula depende do observador: um estado que é vácuo para um observador A, será repleto de partículas como visto por um outro observador B que se move com aceleração constante em relação a A. No caso do efeito Casimir dinâmico, a condição de contorno dos campos muda no tempo devido a uma força externa, similar ao caso do efeito Casimir. Em termos simples, os valores de comprimento de onda admissíveis ao campo eletromagnético vão mudando a medida que a guia de onda muda de tamanho. Como os fótons são aqueles estados de comprimento de onda fixo do sistema, a medida que a guia de onda muda de tamanho ocorre surgimento de novos comprimentos de onda e o observador detecta novos fótons dentro da cavidade, mesmo quando esta incialmente encontrava-se no vácuo.

Referências e notas

1. C. Braggio et al. 2005 Europhys. Lett. 70 754 doi: 10.1209/epl/i2005-10048-8.
2. J. R. Johansson, G. Johansson, C. M. Wilson, F. Nori, Phys. Rev. A 82, 052509 (2010), doi: 10.1103/PhysRevA.82.052509.
3. Astrid Lambrecht, Marc-Thierry Jaekel, Serge Reynaud. Phys. Rev. Lett. 77, 615–618 (1996), doi: 10.1103/PhysRevLett.77.615
4. C.M. Wilson et al., arXiv:1105.4714 [quant-ph].
5. Uma guia de onda é um dispositivo para guiar a direção de propagação de uma onda, forçando uma onda a propagar-se no seu interior, como por exemplo a fibra óptica, ou uma cavidade de metal.