Como o relógio mais preciso do mundo pode transformar a física fundamental

Cientistas dos Estados Unidos mediram a teoria da relatividade de Albert Einstein, que sustenta que a gravidade desacelera o tempo, na menor escala já vista, mostrando que os relógios funcionam em velocidades diferentes quando separados por frações de milímetro.

Jun Ye, pesquisador do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) e da Universidade do Colorado Boulder, disse à AFP que o relógio usado era, "de longe", o mais preciso já construído e pode abrir caminho para novas descobertas em mecânica quântica.

Ye e seus colegas publicaram suas descobertas na prestigiosa revista Nature, descrevendo os avanços de engenharia que lhes permitiram construir um dispositivo 50 vezes mais preciso do que seu melhor relógio anterior, feito em 2010.

Mais de um século atrás, em 1915, Einstein apresentou sua teoria da relatividade geral, que sustentava que o campo gravitacional de um objeto gigante distorce o espaço-tempo. Isso faz o tempo passar mais lentamente, à medida que nos aproximamos do objeto.

Mas foi somente com a invenção dos relógios atômicos, que marcam o tempo detectando a transição entre dois estados de energia dentro de um átomo exposto a uma determinada frequência, que os cientistas puderam testar a teoria.

Os primeiros experimentos incluíram o Gravity Probe A, de 1976, que envolveu uma espaçonave 10.000 quilômetros acima da superfície da Terra e mostrou que um relógio de bordo era mais rápido que seu equivalente na Terra em um segundo a cada 73 anos.

Desde então, os relógios se tornaram cada vez mais precisos e, portanto, mais capazes de detectar os efeitos da relatividade.

Há uma década, a equipe de Ye estabeleceu um recorde, ao observar o tempo se movendo em diferentes velocidades quando seu relógio ultrapreciso se movia 33 centímetros mais alto.

Teoria do todo

O principal avanço de Ye foi trabalhar com redes de luz, conhecidas como redes ópticas, para prender átomos em arranjos ordenados. Com isso, evita que os átomos caiam pela gravidade, ou se movam de qualquer maneira, o que poderia resultar em perda de precisão.

Dentro do novo relógio de Ye, há 100.000 átomos de estrôncio, uns sobre os outros como uma pilha de panquecas com um total de cerca de um milímetro de altura.

O relógio é tão preciso que, quando os cientistas dividiram a pilha em duas, conseguiram detectar diferenças de tempo entre as metades superior e inferior.

Com esse nível de precisão, os relógios atuam basicamente como sensores.

"Espaço e tempo estão conectados", disse Ye. "E com uma medição de tempo tão precisa, você pode ver como o espaço está mudando em tempo real: a Terra é um corpo vivo e animado".

Esses relógios espalhados por uma região vulcanicamente ativa podem dizer aos geólogos a diferença entre rocha sólida e lava, ajudando a prever erupções.

Ou, por exemplo, estudar como o aquecimento global está causando o derretimento das geleiras e o aumento dos oceanos.

O que Ye está mais animado, no entanto, é que os relógios futuros podem marcar um novo começo para o reino da física.

O relógio atual pode detectar diferenças de tempo dentro de 200 mícrons. Se isso fosse reduzido para 20 mícrons, poderia começar a medir o mundo quântico, ajudando a fechar lacunas na teoria.

Embora a relatividade explique lindamente como objetos grandes como planetas e galáxias se comportam, ela é notoriamente incompatível com a mecânica quântica, que lida com o muito pequeno e sustenta que tudo pode se comportar como uma partícula e uma onda.

A interseção dos dois campos colocaria a física um passo mais perto de uma "teoria do tudo", unificadora, que explique todos os fenômenos físicos no cosmos.