Relógios atômicos testam teoria de Einstein com precisão inédita

Redação do Site Inovação Tecnológica - 18/02/2022

A dilatação do tempo - como a taxa de tique-taque de um relógio atômico varia de acordo com a altitude - foi medida dentro dessa pequena nuvem de átomos de estrôncio.
[Imagem: Jacobson/NIST]

Dilatação do tempo pela gravidade

Físicos checaram a validade da Teoria da Relatividade Geral de Albert Einstein - mais especificamente, o efeito chamado dilatação do tempo - na menor escala já medida.

O experimento mostrou que dois minúsculos relógios atômicos ultraprecisos, um colocado apenas um milímetro acima do outro, marcam o tempo em taxas diferentes.

A Teoria da Relatividade estabelece que o tempo passa mais lentamente quanto mais você se aproxima de um campo gravitacional, como o da Terra. O efeito é desprezível em escala humana, mesmo para os astronautas em órbita da Terra, mostrando o nível de precisão exigida dos relógios atômicos para que a diferença no fluxo do tempo pudesse ser medida com apenas um milímetro de diferença.

Este efeito tem sido demonstrado repetidamente. Em 2010, a mesma equipe testou a Relatividade usando dois relógios atômicos, um deles posicionado 33 centímetros acima do outro. Em 2014, uma equipe europeia fez o inverso, medindo a altitude com base na gravidade.

Para bater o novo recorde, foi necessário fazer uma mudança no modo como os dois relógios atômicos são comparados, o que foi conseguido pela equipe do JILA, um laboratório conjunto da Universidade do Colorado em Boulder e do Instituto Nacional de Padronização e Tecnologia (NIST) dos EUA.

E este não foi um passo simples: A equipe agora atingiu um nível que já permite vislumbrar a conexão entre a mecânica quântica e a gravidade.

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A precisão recorde foi alcançada pela medição do desvio para o vermelho gravitacional conforme a luz do laser atravessava as "panquecas" atômicas. O experimento mereceu a capa da revista Nature.
[Imagem: Tobias Bothwell et al. - 10.1038/s41586-021-04349-7] - Nature/Divulgação

Preciso para sempre

Neste novo experimento, os pesquisadores mediram as mudanças de frequência entre a parte superior e a parte inferior de uma única amostra de cerca de 100.000 átomos de estrôncio ultrafrios carregados em uma rede óptica, uma configuração de laboratório semelhante aos relógios atômicos anteriores do grupo. Neste novo caso, a treliça, que pode ser visualizada como uma pilha de panquecas criadas por raios laser, tem panquecas extraordinariamente grandes, planas e finas, e são formadas por luz menos intensa do que a anteriormente usada.

Essa estruturação reduz as distorções na rede, normalmente causadas pelo espalhamento da luz e dos átomos, homogeneiza a amostra e estende as ondas de matéria dos átomos, cujas formas indicam a probabilidade de encontrar os átomos em determinados locais.

Os estados de energia dos átomos ficaram tão bem controlados que todos eles oscilaram entre dois níveis de energia em uníssono exato por 37 segundos, um recorde para o que é chamado de coerência quântica. Se parece pouco, é só se lembrar que o desalinhamento entre os dois começa minúsculo, sendo necessários 300 bilhões de anos para que a diferença eventualmente chegue a 1 segundo - a propósito, estima-se que a idade do Universo seja de 13,7 bilhões de anos.

Crucial para os novos resultados foi a inovação de imageamento, que forneceu um mapa microscópico das distribuições de frequência em toda a amostra, e um novo método de comparar duas regiões de uma nuvem de átomos, em vez da abordagem tradicional de usar dois outros relógios separados.

O desvio para o vermelho medido na nuvem de átomos foi a ordem de 0,000 000 000 000 000 000 1, consistente com as previsões teóricas. Embora muito pequenas para os humanos perceberem diretamente, as diferenças se somam a grandes efeitos no Universo, bem como em tecnologias como a do GPS.

Testar a mecânica quântica na curvatura do espaço-tempo

O resultado é bem mais do que uma simples redução no tempo de um recorde porque, à medida que esse tempo cai, os experimentos se aproximam de fronteiras ainda inexploradas da física.

"Este é um jogo completamente novo, um novo regime onde a mecânica quântica no espaço-tempo curvo pode ser explorada. Se conseguirmos medir o desvio para o vermelho 10 vezes ainda melhor do que isso, seremos 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 tão minúscula pode nos permitir descobrir, por exemplo, que a gravidade destrói a coerência quântica, o que pode estar na base do motivo pelo qual nosso mundo em macroescala é clássico," disse o professor Jun Ye, coordenador da equipe.

E uma melhoria de 10 vezes está ao alcance, uma vez que os cálculos da equipe demonstram que, melhorando a sua nova técnica, será possível melhorar a precisão dos relógios atômicos em até 50 vezes, eventualmente testando até mesmo se a medição do tempo tem uma limitação fundamental.

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