Experimento com relógios atômicos revela dilatação do tempo na menor escala já vista

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Medindo a nuvem de átomos. Créditos: Jacobson / NIST.

Por David Nield
Publicado na ScienceAlert

Em sua teoria da relatividade geral, Einstein previu algo chamado dilatação do tempo: a ideia de que dois relógios sob duas forças gravitacionais diferentes sempre marcarão o tempo em velocidades diferentes.

O efeito foi observado em muitos experimentos desde então, mas agora cientistas o registraram na menor escala vista até agora.

O resultado foi alcançado usando relógios atômicos ultraprecisos a apenas um milímetro de distância um do outro – aproximadamente a largura de uma ponta de lápis afiada. A coleta de 90 horas de dados deu à equipe uma leitura 50 vezes mais precisa do que qualquer medição semelhante anterior.

E, claro, quanto menor e mais precisa a escala, mais dependemos da mecânica quântica para explicar o que está acontecendo. Os pesquisadores esperam que suas novas leituras abram uma maneira de aprender mais sobre como a curvatura do espaço-tempo – o que experimentamos como gravidade – afeta as características das partículas de acordo com a física quântica.

“O resultado mais importante e emocionante é que podemos potencialmente conectar a física quântica com a gravidade, por exemplo, sondando a física complexa quando as partículas são distribuídas em diferentes locais na curvatura do espaço-tempo”, disse o físico Jun Ye, da Universidade do Colorado Boulder (EUA).

Neste experimento, os pesquisadores usaram o que é conhecido como rede óptica, uma teia de luz laser usada para prender átomos no lugar para que possam ser observados. É uma técnica usada para a última geração de relógios atômicos, oferecendo mais precisão na cronometragem através das ondas de luz do laser, e essas redes também podem ser usadas para simulações quânticas.

Aqui, as duas leituras do relógio atômico foram tiradas da mesma nuvem de átomos, em um estado de energia altamente controlado. De fato, os átomos oscilaram entre dois níveis de energia em perfeita sincronização por 37 segundos, um recorde em termos de coerência quântica (ou seja, manter os estados quânticos estáveis) – e essa estabilidade é essencial para essas medições.

Isso permitiu que os cientistas fizessem suas leituras em dois pontos separados, medindo o desvio para o vermelho na nuvem de cerca de 100.000 átomos de estrôncio ultrafrios. O desvio para o vermelho mostra a mudança na frequência da radiação dos átomos ao longo do espectro eletromagnético – ou em outras palavras, a rapidez com que o relógio atômico está marcando tempo.

Embora a diferença no desvio para o vermelho nessa pequena distância fosse de apenas 0,0000000000000000001 ou mais, isso está de acordo com as previsões feitas pela relatividade geral. Essas diferenças podem fazer a diferença quando você chega à escala de todo o Universo, ou mesmo quando está lidando com sistemas que precisam ser ultraprecisos, como a navegação GPS.

“Esta é uma situação completamente nova, um novo regime onde a mecânica quântica na curvatura do espaço-tempo pode ser explorada”, disse Ye. “Se pudéssemos ainda medir o desvio para o vermelho 10 vezes melhor do que isso, seríamos capazes de ver as ondas de toda a matéria dos átomos ao longo da curvatura do espaço-tempo. Ser capaz de medir a diferença de tempo em uma escala de minutos pode nos permitir descobrir, por exemplo, que a gravidade interrompe a coerência quântica, o que pode estar na base do motivo pelo qual nosso mundo em macroescala é clássico”.

Parte do que torna essa pesquisa de dilatação do tempo tão empolgante é que ela aponta o caminho para relógios atômicos que são ainda mais precisos no futuro, dando aos cientistas um projeto que pode ser refinado para fazer medições em escalas cada vez menores.

Os relógios atômicos percorreram um longo caminho nas últimas décadas, e há muito mais por vir.

A pesquisa foi publicada na Nature.