Os físicos do JILA mediram a teoria da relatividade geral de Albert Einstein, ou mais especificamente, o efeito chamado dilatação do tempo, na menor escala de todos os tempos, mostrando que dois minúsculos relógios atômicos, separados por apenas um milímetro ou a largura de uma ponta de lápis afiada, marcam taxas diferentes.
Os experimentos, descritos na edição de 17 de fevereiro da Nature, sugerem como tornar os relógios atômicos 50 vezes mais precisos do que os melhores projetos atuais e oferecem uma rota para talvez revelar como a relatividade e a gravidade interagem com a mecânica quântica, um grande dilema da física.
O JILA é operado em conjunto pelo Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) e pela Universidade do Colorado Boulder.
“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 no espaço-tempo curvo”, disse Jun Ye, membro do NIST/JILA. “Para cronometragem, também mostra que não há obstáculo para tornar os relógios 50 vezes mais precisos do que hoje – o que é uma notícia fantástica.”
A teoria da relatividade geral de Einstein de 1915 explica os efeitos em larga escala, como o efeito gravitacional no tempo, e tem importantes aplicações práticas, como a correção de medições de satélites GPS. Embora a teoria tenha mais de um século, os físicos continuam fascinados por ela. Os cientistas do NIST usaram relógios atômicos como sensores para medir a relatividade com cada vez mais precisão, o que pode ajudar a explicar finalmente como seus efeitos interagem com a mecânica quântica, o livro de regras para o mundo subatômico.
De acordo com a relatividade geral, relógios atômicos em diferentes altitudes em um campo gravitacional marcam ritmos diferentes. A frequência da radiação dos átomos é reduzida ? deslocada para a extremidade vermelha do espectro eletromagnético ? quando observada em gravidade mais forte, mais próxima da Terra. Ou seja, um relógio tiquetaqueia mais lentamente em altitudes mais baixas. Este efeito foi demonstrado repetidamente; por exemplo, os físicos do NIST o mediram em 2010 comparando dois relógios atômicos independentes, um posicionado 33 centímetros acima do outro.
Os pesquisadores do JILA agora mediram as mudanças de frequência entre a parte superior e 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 bolos extraordinariamente grandes, planos e finos, e são formados por luz menos intensa do que o normalmente usado. Esse desenho reduz as distorções na rede normalmente causadas pelo espalhamento da luz e dos átomos, homogeneíza 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 são 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.
Crucial para os novos resultados foi a inovação de imagem do grupo Ye, que forneceu um mapa microscópico de distribuições de frequência em toda a amostra, e seu método de comparar duas regiões de uma nuvem de átomos em vez da abordagem tradicional de usar dois relógios separados.
O desvio para o vermelho medido na nuvem de átomos foi minúsculo, na ordem de 0,0000000000000000001, consistente com as previsões. (Embora muito pequenas para os humanos perceberem diretamente, as diferenças somam grandes efeitos no universo, bem como em tecnologia como o GPS.) A equipe de pesquisa resolveu essa diferença rapidamente para esse tipo de experimento, em cerca de 30 minutos de média de dados. . Após 90 horas de dados, sua precisão de medição foi 50 vezes melhor do que em qualquer comparação de relógio anterior.
“Este é um jogo completamente novo, um novo regime onde a mecânica quântica no espaço-tempo curvo pode ser explorada”, disse Ye. “Se pudéssemos medir o desvio para o vermelho 10 vezes ainda melhor do que isso, seríamos capazes de ver as ondas de toda a matéria dos átomos ao longo da curvatura do espaço-tempo. 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.”
Relógios melhores têm muitas aplicações possíveis além de cronometragem e navegação. Ye sugere que os relógios atômicos podem servir como microscópios para ver ligações minúsculas entre a mecânica quântica e a gravidade e como telescópios para observar os cantos mais profundos do universo. Ele está usando relógios para procurar a misteriosa matéria escura, que se acredita constituir a maior parte da matéria do universo. Os relógios atômicos também estão preparados para melhorar os modelos e a compreensão da forma da Terra por meio da aplicação de uma ciência de medição chamada geodésia relativística.
Publicado em 17/02/2022 22h21
Artigo original:
Estudo original: