Partículas surgem do nada e comprovam efeito quântico previsto há 70 anos

Uma das previsões mais esquisitas da mecânica quântica foi observada pela primeira vez em um laboratório. Elaborada entre as décadas de 1930 e 1950, a teoria diz que partículas e antipartículas surgiram “do nada”, mesmo no vácuo mais absoluto que possa existir no universo. Em janeiro de 2022, os cientistas viram um efeito análogo no grafeno.

Em 1931, o físico Fritz Sauter propôs que elétrons e pósitrons (a antipartícula do elétron) surgem espontaneamente graças ao campo elétrico. A ideia foi elaborada por outros cientistas, mas apenas em 1951 Julian Schwinger detalhou as condições em que esse efeito deveria surgir.

Agora, uma equipe internacional de pesquisadores liderada pela Universidade de Manchester conseguiu observar o efeito Schwinger ao aplicar altas correntes em dispositivos baseados em grafeno. Isso produziu pares de partículas-antipartículas a partir do vácuo.

Matéria surgindo do nada

O surgimento espontâneo de partículas e suas antipartículas ocorre com campos elétricos muito fortes (Imagem: Reprodução/Matteo Ceccanti/Simone Cassandra/Universidade de Manchester

Pode parecer que essa teoria viola os próprios princípios da física. Como a matéria poderia surgir no vácuo completo? Mas se considerarmos a teoria de campos quânticos, não parece tão absurdo. A conclusão pode parecer até óbvia.

A teoria de campos descreve as três forças fundamentais: eletromagnetismo, força fraca e força forte (a gravidade ainda não foi explicada pela mecânica quântica). Nesses domínios, as leis da física são completamente diferentes das leis do mundo macro.

Os campos permeiam o universo e não podem desaparecer em circunstâncias normais. Mesmo que criemos um vácuo perfeitamente livre da presença de qualquer partícula, os campos ainda estão lá (representados pela animação abaixo) — e isso não pode ser descrito como “vazio”.

Schwinger mostrou que pares de partículas podem surgir espontaneamente a partir de um vácuo se aplicarmos um campo magnético forte o suficiente. Uma partícula experimentará a força de acordo com sua carga multiplicada por alguma propriedade do campo.

Além disso, se uma partícula passa por uma região do espaço onde o campo é diferente de zero, ela provavelmente vai experimentar uma força. Quanto mais forte o campo, maior essa força aplicada à partícula. Isso implica que a “energia de campo” naquela região também será maior.

Mesmo em algum espaço completamente em vácuo, e mesmo na ausência de campos externos, ainda haverá alguma quantidade diferente de zero para a energia de campo. Como os campos quânticos estão em todos os lugares do universo, então sempre deve haver uma quantidade incerta de energia em qualquer região.

Invocando a fórmula mais conhecida de Albert Einstein (E=mc²), concluiremos que a energia de um campo eletromagnético pode ser convertida em partículas. É preciso um campo forte para produzir as partículas mais leves de todas — elétrons e pósitrons.

Em condições “normais”, esses pares de matéria e antimatéria se anulam tão logo quanto surgem. Mas com um campo elétrico muito forte (que não poderíamos fazer na Terra), existe uma possibilidade de que os pares de partículas sejam separados o suficiente para não conseguirem mais se aniquilar mutuamente.

Assim, esse par de partículas virtuais que surgiram espontaneamente se torna partículas reais, roubando energia do campo elétrico para manter a energia conservada e o universo equilibrado.

Partículas virtuais em laboratório

Um exemplo de partículas surgindo do nada; se os dois quarks que formam um méson forem separados o suficiente por um campo magnético, novos pares de partículas e antipartículas surgem para preencher o espaço e formar um novo méson (Imagem: Reprodução/The Particle Adventure/LBNL/Particle Data Group)

Os cientistas sempre consideraram que esses efeitos só poderiam ser produzidos com as partículas mais energéticas em experimentos de laboratório ou em ambientes extremos como buracos negro.

Contudo, foram criados campos elétricos fortes o suficiente, usando as propriedades excêntricas do grafeno. Com isso, o efeito Schwinger foi visto pela primeira vez, com elétrons e “buracos” (um análogo de pósitron) produzidos espontaneamente. Surgidos do nada, exatamente como Schwinger previu.

Esse resultado não é exatamente uma surpresa, considerando que a teoria nasceu há cerca de 70 anos. Mesmo assim, ver partículas e suas antipartículas arrancadas do vácuo pelos campos elétricos é fabuloso, pela dificuldade em reproduzir o efeito. Esse também é mais um passo rumo à comprovação da radiação Hawking.

Fonte: Canaltech / Autor original: Daniele Cavalcante

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