A gravidade em escala quântica sempre foi um mistério para a física, mas as coisas podem estar começando a mudar.

Duas minúsculas esferas de ouro respondem à atração gravitacional uma da outra. (Crédito da imagem: Tobias Westphal / Universidade de Viena)

Os físicos mediram o menor campo gravitacional já registrado, em um experimento que pode ajudar na busca por uma teoria unificada da física.

Das quatro forças fundamentais conhecidas pela física as interações fracas e fortes, a força eletromagnética e a força gravitacional, apenas a gravidade permanece não integrada no manual da física chamao Modelo Padrão, que descreve como o zoológico de partículas subatômicas se comporta. Em vez disso, a gravidade é descrita pela teoria geral da relatividade de Einstein, mas como ela se decompõe na escala quântica, nossa melhor imagem do universo fica dividida em dois. 

Como resultado, a física ainda não consegue descrever como a gravidade funciona em escalas subatômicas, deixando os físicos coçando a cabeça quando se trata de compreender as singularidades que estão nos centros dos buracos negros, ou por que a gravidade é muito mais fraca em força do que todas as outras forças.

Mas um novo experimento que mediu a atração gravitacional minúscula entre duas minúsculas esferas de ouro, cada uma medindo apenas 2 milímetros de diâmetro, poderia ser o primeiro de muitos a fornecer pistas de como a gravidade opera nessas escalas.

"Este foi um experimento de prova de conceito para criar um sensor capaz de medir acelerações muito pequenas e estabelecer métodos que nos permitiriam detectar forças gravitacionais ainda menores", disse o co-autor do estudo Jeremias Pfaff, aluno de doutorado da Universidade de Viena. "A longo prazo, gostaríamos de responder como é o campo gravitacional de um objeto quântico em uma superposição, mas há muito a ser feito no caminho", disse Pfaff, referindo-se à gravidade experimentada por uma partícula subatômica que está em dois estados quânticos ao mesmo tempo.

Para dar uma olhada em como a gravidade funciona em pequenas escalas, os pesquisadores usaram uma versão minúscula de uma balança de torção, um dispositivo criado pelo cientista inglês Henry Cavendish em 1798 para medir a densidade da Terra e, e a partir dele a força da constante gravitacional chamada G. 

Uma balança de torção é uma barra horizontal suspensa em seu centro por um fio com duas massas, neste caso esferas de ouro, presas a cada extremidade. Isso significa que se uma pequena força for aplicada ao longo do eixo horizontal da barra, o fio irá torcer e os cientistas podem medir a força aplicada com base em quanto a barra girou. Ao aproximar uma terceira esfera de ouro de uma das que estão presas ao final da barra, os pesquisadores foram capazes de medir a força da gravidade entre ela e a esfera presa.

A força que os pesquisadores procuravam era minúscula. Em cerca de 9×10^ menos 14 newtons, seria a força que um terço de uma célula do sangue humano experimentaria no campo gravitacional da Terra. Portanto, o experimento precisava ser incrivelmente sensível e os pesquisadores tinham que minimizar a exposição ao ruído externo, certificar-se de que nenhuma carga perdida se acumulasse no aparelho e encontrar uma maneira de localizar o sinal desejado. 

“O ambiente urbano também está longe do ideal”, disse Pfaff. "Foi impressionante ver que não somos apenas sensíveis a pequenos terremotos, mas também ao bonde local e aos ônibus individuais. Fomos até capazes de ver a maratona da cidade de Viena em nossos dados."

Eles se livraram de quaisquer cargas perdidas inundando a área ao redor do aparelho com nitrogênio ionizado antes de colocá-lo no vácuo. Eles também fizeram com que o minúsculo sinal gravitacional que procuravam se destacasse mais, movendo as duas esferas para mais perto e mais longe, muito lentamente. 

Da mesma forma que uma luz piscando é mais perceptível do que uma constante, a força gravitacional crescente e decrescente entre as esferas era muito mais fácil de detectar do que se estivessem estacionárias. Isso permitiu que os pesquisadores encontrassem a intensidade da força gravitacional entre as duas esferas e também encontrassem sua própria medição para a constante gravitacional.

Até agora, na escala que eles estavam medindo, a gravidade seguia as mesmas regras previsíveis que segue em escalas maiores. Os físicos agora esperam tornar seu experimento ainda mais sensível para que possam captar sinais menores de massas pelo menos 1.000 vezes mais leves e em distâncias mais curtas. Isso poderia fornecer pistas importantes para uma teoria que explica a gravidade em escalas pequenas e grandes, junto com insights sobre outros mistérios como a existência de matéria escura, uma forma misteriosa de matéria que não emite luz, mas exerce atração gravitacional.

Em escalas menores, os pesquisadores poderiam começar a detectar maneiras completamente novas de como a matéria interage por meio da gravidade, maneiras que seguem as regras muito mais bizarras do mundo quântico. Se o fizerem, a física pode finalmente começar a preencher a lacuna entre nossas grandes e pequenas imagens do universo.

"Expandir nosso conhecimento sobre esta força indescritível pode nos ajudar a reunir dicas para encontrar uma compreensão mais fundamental de nossa realidade física", disse Pfaff.

Artigo originalmente publicado na Live Science.