Cientistas conseguem medir a deformação do tempo em escala milimétrica

A famosa Teoria da Relatividade de Albert Einstein foi agora demonstrada num laboratório, com dois relógios atómicos especiais em escala milimétrica. Conheça a nova "rede óptica" que foi usada na experiência e as suas aplicações.

relatividade relógio atómico
A Teoria da Relatividade de Einstein foi demonstrada agora num laboratório com dois relógios atómicos especiais em escala milimétrica.

Uma das descobertas de Albert Einstein na sua teoria da relatividade geral é que o campo gravitacional de um objecto maciço distorce o espaço-tempo, fazendo com que o tempo se mova mais lentamente à medida que nos aproximamos do objeto. Este fenómeno é conhecido como "dilatação do tempo gravitacional" e é mensurável, particularmente na proximidade de um objeto muito maciço como a Terra.

A medição requer um relógio suficientemente preciso, e, hoje em dia, os cronómetros mais precisos são os relógios atómicos, que marcam o tempo detetando a energia de transição entre dois estados eletrónicos num átomo.

A dilatação do tempo significa que a própria gravidade retarda o tempo. Então, um objeto que estiver a experimentar alta gravidade irá experimentar menos tempo.

Este efeito foi agora estudado por investigadores do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) nos EUA, e para tal foi utilizado um relógio atómico extraordinariamente preciso. A dilatação do tempo é um conceito bem estabelecido, de facto, os engenheiros do NIST já o testaram antes, usando relógios atómicos.

Tempo relatividade
A definição de um segundo em si baseia-se nas vibrações de um átomo de césio (Cs).

Mas, num estudo publicado recentemente na revista Nature, mediram pela primeira vez os diferentes efeitos da gravidade em dois cronógrafos situados a menos de um milímetro de distância.

Nesta investigação, dois minúsculos relógios atómicos foram colocados a menos de um milímetro de distância um do outro, e com eles foi possível medir, na escala mais pequena alguma vez vista, a "dilatação do tempo", pela qual ambos funcionam a ritmos diferentes, um dos aspetos da Teoria da relatividade de Einstein.

Avanços nas medições

Em trabalhos anteriores, os cientistas do NIST demonstraram a dilatação do tempo utilizando dois relógios atómicos colocados um sobre o outro a 33 centímetros de distância. Os relógios atómicos colocados a diferentes alturas num campo gravitacional funcionam a ritmos diferentes, ou seja, um relógio funciona mais devagar a uma menor altura, um efeito já demonstrado.

Mas, como já dissemos, nesta última experiência eles reduziram essa distância para um milímetro, e como resultado obtiveram que mesmo com essa pequena distância podiam detetar alterações percetíveis na gravidade.

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Os relógios atómicos situados a diferentes alturas num campo gravitacional funcionam a ritmos diferentes, ou seja, um relógio funciona mais rápido numa altura superior, um efeito já demonstrado. Imagem: NIST

Ter dois relógios atómicos separados próximos um do outro é fisicamente impossível, pelo que o Dr. Jun Ye e a sua equipa de trabalho conceberam um novo relógio atómico para usar especificamente nesta experiência. Em geral, estes dispositivos utilizam a vibração de um certo tipo de átomo para contar o tempo. A definição de um segundo em si é baseada nas vibrações de um átomo de césio (Cs).

Novo relógio atómico de "rede óptica"

O instrumento conhecido como relógio atómico de rede óptica, pode medir diferenças de tempo com uma precisão equivalente a perder apenas um segundo a cada 300 mil milhões de anos, e é o primeiro exemplo de relógio óptico "multiplexado", no qual podem existir seis relógios diferentes no mesmo ambiente.

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Os investigadores utilizaram desta vez uma estrutura conhecida como "rede óptica" que contém cerca de 100 mil átomos individuais de estrôncio (Sr) numa estrutura definida. É importante destacar também o facto de terem desenvolvido um sistema de imagem capaz de monitorizar perto da parte superior e inferior da rede óptica, que mede apenas um milímetro, tornando-a a menor distância alguma vez vista neste tipo de experiência.

Como resultado, viu uma diferença no tempo experimentado pela parte superior versus a parte inferior da rede óptica de 10 −19 segundos. Claro que esse tempo é impercetível para os seres humanos, mas os cientistas detetaram-no. Este resultado foi o esperado e estava dentro das expectativas baseadas nos fundamentos da relatividade geral, mas há algo mais por detrás desta grande experiência.

Utilidade dos relógios atómicos ultra precisos

A Teoria de Einstein que remonta a 1915 foi testada muitas vezes, mas este não foi o único resultado da experiência. A técnica utilizada pelos investigadores é o destaque, porque aponta para a construção potencial de um relógio 50 vezes mais preciso do que qualquer outro atualmente existente.

Pode estar a perguntar-se, e porque são necessários relógios com tanta precisão? e a resposta para o mundo macro no qual vivemos pode ser que é "excessivo ou desnecessário". Mas, na verdade, na ordem da mecânica quântica, os relógios mais precisos poderiam explorar essas pequenas distâncias de uma forma que nunca antes foi possível, e este novo relógio atómico baseado numa "nuvem de átomos" pode ser uma forma de o fazer.

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Isto tentaria revelar um dos grandes dilemas da física, como a relatividade e a gravidade interagem com a mecânica quântica que rege as regras do mundo subatómico. Por isso, é necessário que saiba que a melhoria dos relógios tem muitas aplicações possíveis, para além da medição do tempo e da navegação.

"Podem servir de microscópios para ver as minúsculas ligações entre a mecânica quântica e a gravidade, bem como telescópios para observar os cantos mais profundos do universo, estão também preparados para melhorar os modelos e a compreensão da forma da Terra mediante a aplicação de uma ciência de medição chamada geodésia relativística", explicou o Dr. Jun Ye. O seu design permite testar formas de procurar ondas gravitacionais, tentar detetar matéria escura e descobrir novas físicas com relógios.