Descobriu-se que o tempo flui de maneira diferente entre o topo e a base de uma única nuvem de átomos. Os físicos esperam que tal sistema um dia os ajude a combinar a mecânica quântica e a teoria da gravidade de Einstein.
O infame paradoxo dos gêmeos envia a astronauta Alice em uma viagem espacial extremamente rápida. Quando ela retorna para se reunir com seu irmão gêmeo, Bob, ela descobre que ele envelheceu muito mais rápido do que ela. É um resultado bem conhecido, mas desconcertante: o tempo fica mais lento se você estiver se movendo rápido.
A gravidade faz a mesma coisa. A Terra – ou qualquer corpo massivo – deforma o espaço-tempo de uma forma que retarda o tempo, de acordo com a teoria geral da relatividade de Albert Einstein. Se Alice vivesse sua vida no nível do mar e Bob no topo do Everest, onde a atração gravitacional da Terra é um pouco mais fraca, ele envelheceria novamente mais rápido. A diferença na Terra é modesta, mas real – foi medida colocando relógios atômicos no topo de montanhas e vales e medindo a diferença entre os dois.
Os físicos agora conseguiram medir essa diferença ao milímetro. Em um artigo postado no início deste mês no servidor de pré-impressão científica arxiv.org, pesquisadores do laboratório de Jun Ye, um físico da JILA em Boulder, Colorado, mediram a diferença no fluxo de tempo entre o topo e o fundo de um milímetro -toda nuvem de átomos.
O trabalho é um passo em direção ao estudo da física na interseção da relatividade geral e da mecânica quântica, duas teorias que são notoriamente incompatíveis. O novo relógio pega um sistema fundamentalmente quântico – um relógio atômico – e o entrelaça com a força da gravidade.
No experimento, a equipe de Ye usou um relógio de rede óptica, uma nuvem de 100.000 átomos de estrôncio que pode ser tocada por um laser. Se a frequência do laser estiver correta, os elétrons orbitando cada átomo serão excitados para uma órbita mais alta e energética. Como apenas uma pequena faixa de frequências de laser motiva os elétrons a se moverem, medir essa frequência fornece uma medição de tempo extremamente precisa. É como um relógio de pêndulo quântico, onde o tique-taque vem das oscilações da luz do laser, em vez do balanço de um pêndulo.
Os pesquisadores dividiram seu relógio em dois – eles olharam para a nuvem em uma câmera e desenharam duas caixas imaginárias nas metades superior e inferior. Eles então compararam a frequência de tique-taque das metades superior e inferior, descobrindo que o tempo experimentado pelos átomos no topo da nuvem é 0,00000000000000001% mais curto do que o tempo experimentado pelos que estão na parte inferior.
A maneira específica como eles mediram a mudança – comparando duas partes da mesma nuvem – permitiu que eles cancelassem muitos ruídos comuns a ambas as partes. É como medir um veleiro em mar agitado. Mesmo quando ele sobe e desce de forma imprevisível, a distância entre a quilha e o mastro sempre permanecerá constante. Embora um relógio feito de uma nuvem de átomos possa flutuar devido a uma série de coisas – campos elétricos, campos magnéticos, a própria luz do laser, calor do ambiente – a diferença de frequências entre o topo e a base da nuvem permanece a mesma. Medir essa diferença revelou o efeito da gravidade. “Isso não é trivial de se fazer”, disse Andrew Ludlow, um especialista em relógio atômico do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia, que não estava envolvido com a pesquisa.
De acordo com o preprint, esta demonstração é um passo em direção ao estudo da união da relatividade geral e da mecânica quântica. (Os autores se recusaram a ser entrevistados até que o artigo fosse publicado em um periódico revisado por pares.)
A relatividade descreve um espaço-tempo no qual os objetos têm propriedades bem definidas e se movem previsivelmente de um local para outro. Na teoria quântica, em contraste, um objeto pode estar em uma “superposição” de muitas propriedades ao mesmo tempo ou pode saltar repentinamente para um local específico. Essas duas descrições correspondem bem aos seus respectivos reinos de realidade, mas são incongruentes quando tomadas em conjunto.
Então, o que acontece quando a mecânica quântica e a relatividade são necessárias para descrever um fenômeno?
Veja o caso em que um objeto massivo é colocado em uma superposição de dois locais possíveis ao mesmo tempo. A relatividade geral diz que qualquer objeto com massa deve dobrar a estrutura do espaço-tempo. Mas e se esse objeto estiver em uma superposição? A geometria do espaço-tempo também está em superposição?
Para estudar essas questões, os físicos estão sempre procurando por sistemas em que a gravidade e a mecânica quântica sejam importantes. “Os relógios são com certeza um dos sistemas mais promissores para testar esses tipos de recursos”, disse Flaminia Giacomini, física teórica do Perimeter Institute for Theoretical Physics em Waterloo, Canadá. Os relógios situam-se naturalmente na linha entre a mecânica quântica e a relatividade. Eles contam o tempo, que é um conceito inerentemente relativista. Eles também são fundamentalmente quânticos: a maneira como os elétrons se movem de um nível de energia para outro é passando por uma superposição de ser em ambos os níveis.
Se a equipe de Ye melhorar a sensibilidade de seu relógio em cerca de outro fator de 10 – daqui a alguns anos, na taxa atual de melhoria – eles podem começar a pesquisar os efeitos gravitacionais no comportamento de seus átomos. As primeiras assinaturas disso apareceriam em um processo chamado decoerência.
A decoerência é responsável pela transição do mundo estranho da mecânica quântica para o mundo comum da experiência cotidiana. Cada vez que o ambiente interage com um sistema quântico, ele pode ser visto como uma minúscula medição feita no sistema – uma maneira de o ambiente aprender algo sobre o sistema quântico e destruir sua “quanticidade”. Os físicos se tornaram muito bons em proteger seus experimentos quânticos de qualquer coisa no ambiente que pudesse perturbá-los. Mas eles não podem protegê-los da gravidade.
Conforme os átomos no relógio de Ye se movem para cima e para baixo na nuvem, experimentando uma variação no fluxo do tempo, a gravidade irá alterar a maneira como eles interagem entre si e causar uma mudança observável em sua dinâmica. Ainda não será a gravidade quântica em si, onde a gravidade é quantizada em partículas fundamentais chamadas grávitons. Mas seria um exemplo valioso da mecânica quântica e do entrelaçamento da gravidade para causar um novo fenômeno.
“O que quer que possa nos ajudar a aprender que tipo de comportamento a gravidade tem quando os efeitos quânticos e gravitacionais desempenham um papel, acho que será muito, muito útil para pesquisas futuras”, disse Giacomini.
Publicado em 26/10/2021 12h53
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