Cientistas conseguem medir a deformação do tempo 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.

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.

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.

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.

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.

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.