Imagem de destaque: Montagem experimental do JILA com uma pequena nuvem de átomos de estrôncio, usada para medir a dilatação do tempo em escala milimétrica. Foto: R. Jacobson/NIST. Fonte da imagem. Política de reutilização do NIST.
Entre o alto e a base de uma nuvem de átomos, um milímetro foi suficiente para revelar uma diferença no ritmo do tempo. Em um estudo publicado on-line na Nature em 16 de fevereiro de 2022, pesquisadores do JILA, nos Estados Unidos, mediram esse efeito dentro de uma única amostra de estrôncio. A parte mais alta funcionava como um relógio ligeiramente mais rápido.
A explicação vem da relatividade geral: relógios situados em diferentes potenciais gravitacionais podem marcar ritmos diferentes quando comparados. Perto da superfície terrestre, um relógio colocado mais acima avança um pouco mais depressa que outro abaixo. A diferença existe mesmo quando ninguém a percebe. O desafio experimental consiste em encontrar um marcador de tempo estável o bastante para distinguir essa variação de outras influências.
Uma pilha de átomos presos pela luz
No aparelho de 2022, cerca de 100 mil átomos ultrafrios ficaram presos em uma rede óptica, uma estrutura produzida por feixes de laser. É possível imaginar suas camadas como uma pilha de pequenas prateleiras de luz. As transições entre níveis de energia dos átomos serviam de referência para a medição. A equipe controlou o conjunto de modo a manter a coerência quântica por aproximadamente 37 segundos, uma condição importante para comparar frequências tão próximas.
A leitura exigiu olhar para diferentes partes da própria nuvem. Um sistema de imagens permitiu mapear as frequências ao longo da amostra, em vez de tratar todos os átomos como um único bloco. Os pesquisadores também corrigiram efeitos capazes de alterar a medição, como interações entre átomos e variações do campo magnético. Após essas correções, o gradiente observado concordou com a previsão gravitacional.
O desvio relativo estava na ordem de 10⁻¹⁹. Na comparação entre duas regiões da nuvem, 92 horas de dados permitiram alcançar uma incerteza fracionária de 7,6 × 10⁻²¹. São medidas do tamanho do efeito e da precisão da comparação, obtidas a partir da proporção entre frequências atômicas.
Da bancada do laboratório ao GPS
Havia um antecedente fácil de visualizar. Em 2010, outra equipe do NIST comparou dois relógios baseados em íons de alumínio e elevou um deles cerca de 33 centímetros, levantando a mesa do laboratório. O relógio mais alto passou a marcar um ritmo maior, conforme esperado. Os aparelhos estavam em laboratórios diferentes, conectados por fibra óptica. Em 2022, a comparação chegou ao interior de uma pequena nuvem de átomos.
A mesma relação entre gravidade e tempo já participa da vida cotidiana em outra escala. Os satélites de GPS carregam relógios atômicos, e seus sinais precisam levar em conta efeitos relativísticos. A altitude e o movimento dos satélites alteram seus ritmos em sentidos opostos. Sem as correções correspondentes, o sistema perderia a precisão necessária para indicar posições na Terra. Assim, uma previsão física também se torna uma exigência de engenharia.
A equipe também apontou uma possibilidade para os próximos experimentos: estudar como a gravidade se relaciona com sistemas quânticos. Investigar possíveis efeitos sobre a coerência dos átomos permanece uma perspectiva de pesquisa. O resultado de 2022 mostrou até que ponto era possível controlar e comparar relógios dentro de uma amostra minúscula.
Fontes
- Bothwell et al.. Resolving the gravitational redshift across a millimetre-scale atomic sample, 2022-02-16.
- NIST. JILA Atomic Clocks Measure Einstein’s General Relativity at Millimeter Scale, 2022-02-16.
- NIST. Pair of Aluminum Atomic Clocks Reveal Einstein’s Relativity at a Personal Scale, 2010-09-23.
- NIST. Putting Einstein to the Test.