O relógio atômico mais preciso e preciso do mundo abre novas fronteiras na física

Na busca incessante da humanidade pela perfeição, cientistas desenvolveram um relógio atômico que é mais preciso e exato do que qualquer relógio criado anteriormente. O novo relógio foi construído por pesquisadores do JILA, uma instituição conjunta do National Institute of Standards and Technology (NIST) e da University of Colorado Boulder.

Permitindo a navegação precisa na vasta extensão do espaço, bem como a busca por novas partículas, este relógio é o mais recente a transcender a mera cronometragem. Com a sua maior precisão, estes cronometristas da próxima geração poderão revelar depósitos minerais subterrâneos ocultos e testar teorias fundamentais, como a relatividade geral, com um rigor sem precedentes.

Para os arquitetos de relógios atômicos, não se trata apenas de construir um relógio melhor; trata-se de desvendar os segredos do universo e abrir caminho para tecnologias que moldarão o nosso mundo para as gerações vindouras.

A comunidade científica mundial está considerando redefinir o segundo, a unidade internacional de tempo, com base nesses relógios atômicos ópticos de última geração. Os relógios atômicos da geração existente emitem micro-ondas em átomos para medir o segundo. Essa nova onda de relógios ilumina átomos com ondas de luz visíveis, que têm uma frequência muito maior, para contar o segundo com muito mais precisão.

Comparados com os atuais relógios de micro-ondas, espera-se que os relógios ópticos ofereçam uma precisão muito maior para cronometragem internacional, perdendo potencialmente apenas um segundo a cada 30 bilhões de anos.

Mas antes que esses relógios atômicos possam funcionar com tamanha precisão, eles precisam ter uma precisão muito alta; em outras palavras, eles devem ser capazes de medir frações extremamente pequenas de segundo. Alcançar alta precisão e alta exatidão pode ter vastas implicações.

Preso no tempo

O novo relógio JILA usa uma rede de luz conhecida como “rede óptica” para capturar e medir dezenas de milhares de átomos individuais simultaneamente. Ter um conjunto tão grande fornece uma enorme vantagem em precisão. Quanto mais átomos medidos, mais dados o relógio tem para produzir uma medição precisa do segundo.

Para atingir um novo desempenho recorde, os pesquisadores do JILA usaram uma “teia” mais rasa e suave de luz laser para capturar os átomos, em comparação com relógios de rede óptica anteriores. Isso reduziu significativamente duas fontes principais de erro — efeitos da luz laser que captura os átomos e átomos colidindo uns com os outros quando são compactados muito firmemente.

Os pesquisadores descrevem seus avanços em um artigo que foi aceito para publicação no Cartas de revisão física. A obra está atualmente disponível no site arXiv servidor de pré-impressão.

Relatividade de relógio nas menores escalas

“Este relógio é tão preciso que pode detectar pequenos efeitos previstos por teorias como a relatividade geral, mesmo em escala microscópica”, disse Jun Ye, físico do NIST e JILA. “É ultrapassar os limites do que é possível com a cronometragem.”

A relatividade geral é a teoria de Einstein que descreve como a gravidade é causada pela deformação do espaço e do tempo. Uma das principais previsões da relatividade geral é que o próprio tempo é afetado pela gravidade – quanto mais forte o campo gravitacional, mais lento o tempo passa.

Este novo design de relógio pode permitir a detecção de efeitos relativísticos na cronometragem na escala submilimétrica, aproximadamente a espessura de um único fio de cabelo humano. Aumentar ou diminuir o relógio por essa distância minúscula é o suficiente para que os pesquisadores discernam uma pequena mudança no fluxo do tempo causada pelos efeitos da gravidade.

Esta capacidade de observar os efeitos da relatividade geral à escala microscópica pode preencher significativamente a lacuna entre o reino quântico microscópico e os fenómenos de grande escala descritos pela relatividade geral.

Navegando no espaço e nos avanços quânticos

Relógios atômicos mais precisos também permitem navegação e exploração mais precisas no espaço. À medida que os humanos se aventuram cada vez mais no sistema solar, os relógios precisarão manter o tempo preciso em grandes distâncias. Mesmo pequenos erros na cronometragem podem levar a erros de navegação que aumentam exponencialmente à medida que você viaja.

“Se quisermos pousar uma nave espacial em Marte com precisão milimétrica, precisaremos de relógios que sejam ordens de magnitude mais precisos do que os que temos hoje em GPS”, disse Ye. “Este novo relógio é um grande passo para tornar isso possível.”

Os mesmos métodos usados ​​para capturar e controlar os átomos também podem produzir avanços na computação quântica. Os computadores quânticos precisam ser capazes de manipular precisamente as propriedades internas de átomos ou moléculas individuais para realizar computações. O progresso no controle e medição de sistemas quânticos microscópicos avançou significativamente esse esforço.

Ao aventurarem-se no domínio microscópico onde as teorias da mecânica quântica e da relatividade geral se cruzam, os investigadores estão a abrir uma porta para novos níveis de compreensão sobre a natureza fundamental da própria realidade. Desde as escalas infinitesimais onde o fluxo do tempo é distorcido pela gravidade, até às vastas fronteiras cósmicas onde a matéria escura e a energia escura dominam, a precisão requintada deste relógio promete iluminar alguns dos mistérios mais profundos do universo.

“Estamos explorando as fronteiras da ciência da medição”, disse Ye. “Quando você consegue medir as coisas com esse nível de precisão, você começa a ver fenômenos sobre os quais só conseguimos teorizar até agora.”

Esta história é republicada por cortesia do NIST. Leia a história original aqui.