Os fa­sicos 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 minaºsculos rela³gios ata´micos, separados por apenas um mila­metro ou a largura de uma ponta de la¡pis afiada, marcam taxas diferentes.

Os experimentos, descritos na edição desta quinta-feira,17, da Nature, sugerem como tornar os rela³gios ata´micos 50 vezes mais precisos do que os melhores projetos de hoje e oferecem uma rota para talvez revelar como a relatividade e a gravidade interagem com a meca¢nica qua¢ntica , um grande dilema da física.

O JILA éoperado em conjunto pelo Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) e pela Universidade do Colorado Boulder.

“O resultado mais importante e emocionante éque podemos potencialmente conectar a física qua¢ntica com a gravidade, por exemplo, sondando a física complexa quando aspartículas são distribua­das em diferentes locais no Espaço-tempo curvo”, disse Jun Ye, membro do NIST/JILA. "Para cronometragem, também mostra que não háobsta¡culo para tornar os rela³gios 50 vezes mais precisos do que hoje - o que éuma nota­cia fanta¡stica."

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 prática s, como a correção de medições de satanãlites GPS. Embora a teoria tenha mais de um século, os fa­sicos continuam fascinados por ela. Os cientistas do NIST usaram rela³gios ata´micos como sensores para medir a relatividade com cada vez mais precisão, o que pode ajudar a explicar finalmente como seus efeitos interagem com a meca¢nica qua¢ntica, o livro de regras para o mundo subata´mico.

De acordo com a relatividade geral, rela³gios ata´micos em diferentes altitudes em um campo gravitacional marcam ritmos diferentes. A frequência da radiação dos a¡tomos éreduzida osdeslocada para a extremidade vermelha do espectro eletromagnético osquando observada em gravidade mais forte, mais próxima da Terra. Ou seja, um rela³gio tiquetaqueia mais lentamente em altitudes mais baixas. Este efeito foi demonstrado repetidamente; por exemplo, os fa­sicos do NIST o mediram em 2010 comparando dois rela³gios ata´micos independentes, um posicionado 33 centa­metros acima do outro.

Os pesquisadores do JILA agora mediram asmudanças de frequência entre a parte superior e inferior de uma única amostra de cerca de 100.000 a¡tomos de estra´ncio ultrafrios carregados em uma rede a³ptica, uma configuração de laboratório semelhante aos rela³gios ata´micos anteriores do grupo.. Neste novo caso, a trelia§a, que pode ser visualizada como uma pilha de panquecas criadas por feixes de 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 a¡tomos, homogenea­za a amostra e estende as ondas de matéria dos a¡tomos, cujas formas indicam a probabilidade de encontrar os a¡tomos em determinados locais. Os estados de energia dos a¡tomos são tão bem controlados que todos eles oscilaram entre dois na­veis de energia em una­ssono exato por 37 segundos, um recorde para o que échamado de coeraªncia qua¢ntica.

Crucial para os novos resultados foi a inovação de imagem do grupo Ye , que forneceu um mapa microsca³pico de distribuições de frequência em toda a amostra, e seu manãtodo de comparar duas regiaµes de uma nuvem de a¡tomos em vez da abordagem tradicional de usar dois rela³gios separados.

O desvio para o vermelho medido na nuvem de a¡tomos foi minaºsculo, na ordem de 0,0000000000000000001, consistente com as previsaµes. (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. . Apa³s 90 horas de dados, sua precisão de medição foi 50 vezes melhor do que em qualquer comparação de rela³gio anterior.

“Este éum jogo completamente novo, um novo regime onde a meca¢nica qua¢ntica no Espaço-tempo curvo pode ser explorada”, disse Ye. "Se pudanãssemos medir o desvio para o vermelho 10 vezes ainda melhor do que isso, sera­amos capazes de ver as ondas de toda a matéria dos a¡tomos ao longo da curvatura do Espaço-tempo. descobrir, por exemplo, que a gravidade interrompe a coeraªncia qua¢ntica, o que pode estar na base do motivo pelo qual nosso mundo em macroescala écla¡ssico."

Rela³gios melhores tem muitas aplicações possa­veis além de cronometragem e navegação. Ye sugere que os rela³gios ata´micos podem servir como microsca³pios para ver ligações minaºsculas entre a meca¢nica qua¢ntica e a gravidade e como telesca³pios para observar os cantos mais profundos do universo. Ele estãousando rela³gios para procurar a misteriosa matéria escura , que se acredita constituir a maior parte da matéria do universo. Os rela³gios ata´micos também estãopreparados para melhorar os modelos e a compreensão da forma da Terra por meio da aplicação de uma ciência de medição chamada geodanãsia relativa­stica .