Pesquisadores do Cluster of Excellence ct.qmat desenvolveram um método para modelar uma teoria central da gravidade quântica em laboratório. Seu objetivo: decifrar fenômenos anteriormente inexplicáveis no mundo quântico.
A gravidade não é mais um mistério para os físicos – pelo menos quando se trata de grandes distâncias: graças à ciência, podemos calcular as órbitas dos planetas, prever marés e enviar foguetes ao espaço com precisão. No entanto, a descrição teórica da gravidade atinge seus limites no nível das menores partículas, o chamado nível quântico.
“Para explicar o Big Bang ou o interior dos buracos negros, temos que entender as propriedades quânticas da gravidade”, explica a Professora Johanna Erdmenger, Presidente de Física Teórica III na Universidade de Würzburg (JMU) na Baviera, Alemanha. “Em energias muito altas, as leis clássicas da gravidade falham. Portanto, nosso objetivo é contribuir para o desenvolvimento de novas teorias que possam explicar a gravidade em todas as escalas, incluindo no nível quântico.”
Pesquisadores se concentram na teoria central da gravidade quântica
A “correspondência AdS/CFT”, uma teoria central da gravidade quântica, desempenha um papel importante no desenvolvimento de novos modelos. Ela afirma que teorias gravitacionais complexas em um espaço de alta dimensão podem ser descritas por teorias quânticas mais simples na fronteira desse espaço.
[Explanation: “AdS” stands for “Anti-de-Sitter”, a special type of spacetime that is curved inward, like a hyperbola. “CFT” stands for “conformal field theory”, a theory that describes quantum physical systems whose properties are the same at all spatial distances.]
“Isso parece muito complicado no começo, mas é fácil de explicar”, diz Erdmenger. “A correspondência AdS/CFT nos permite entender processos gravitacionais difíceis, como aqueles que existem no mundo quântico, usando modelos matemáticos mais simples. Em seu cerne está um espaço-tempo curvo, que pode ser pensado como um funil. A correspondência afirma que a dinâmica quântica na borda do funil deve corresponder à dinâmica mais complexa dentro – similarmente a um holograma em uma nota de banco, que gera uma imagem tridimensional, embora seja apenas bidimensional.
Prova de conceito para a realização da dinâmica gravitacional em laboratório
Junto com sua equipe, Erdmenger desenvolveu agora um método para testar experimentalmente as previsões da correspondência AdS/CFT não confirmada anteriormente: um circuito elétrico ramificado é usado para imitar o espaço-tempo curvo – os sinais elétricos nos pontos de ramificação individuais do circuito correspondem à dinâmica gravitacional que seria encontrada em diferentes pontos no espaço-tempo. Os cálculos teóricos da equipe de pesquisa mostram que no circuito proposto, a dinâmica na borda do espaço-tempo imitado também corresponde àquelas dentro – e, portanto, uma previsão central da correspondência AdS/CFT pode ser realizada pelo circuito.
Implementação prática e possíveis aplicações técnicas
Como próximo passo, a equipe de pesquisa de Würzburg agora planeja colocar em prática a configuração experimental descrita no estudo. Além de avanços significativos na pesquisa gravitacional, isso também pode levar a inovações técnicas. “Nossos circuitos também abrem novas aplicações tecnológicas”, explica Erdmenger. “Com base na tecnologia quântica, espera-se que eles transmitam sinais elétricos com perda reduzida, já que a curvatura simulada do espaço agrupa e estabiliza os sinais. Isso seria um avanço para a transmissão de sinais em redes neurais usadas para inteligência artificial, por exemplo.”
A University of Alberta, Canadá, o Max Planck Institute for the Physics of Complex Systems em Dresden, Alemanha, a University of Alabama em Tuscaloosa, EUA, e a Chair of Theoretical Physics I na University of Würzburg, Alemanha, foram envolvidos como parceiros colaboradores no estudo internacional. O suporte financeiro foi fornecido pelo Würzburg-Dresden Cluster of Excellence “ct.qmat – Complexity and Topology in Quantum Materials”.
Sobre o Cluster de Excelência ct.qmat
O Cluster de Excelência ct.qmat – Complexidade e Topologia em Matéria Quântica é administrado em conjunto pela Universidade de Würzburg (JMU) e pela Technische Universität (TU) Dresden desde 2019. Mais de 300 cientistas de mais de trinta países e quatro continentes estudam materiais quânticos topológicos que revelam fenômenos surpreendentes sob condições extremas, como temperaturas ultrabaixas, alta pressão ou fortes campos magnéticos. O ct.qmat é financiado pela Estratégia de Excelência Alemã dos Governos Federal e Estadual e é o único Cluster de Excelência na Alemanha sediado em dois estados federais diferentes.
Sobre o estudo
Simulação de teorias de campos conformes holográficos em redes hiperbólicas. Santanu Dey, Anffany Chen, Pablo Basteiro, Alexander Fritzsche, Martin Greiter, Matthias Kaminski, Patrick M. Lenggenhager, René Meyer, Riccardo Sorbello, Alexander Stegmaier, Ronny Thomale, Johanna Erdmenger, Igor Boettcher. Cartas de Revisão Física 133, 9 de agosto de 2024. DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.061603
