Novos relógios atômicos medem a dilatação do tempo da relatividade geral de Einstein em escala milimétrica

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Conceito de astrofísica de gravidade de espaço-tempo de buraco de minhoca

Os físicos 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 minúsculos relógios atômicos, separados por apenas um milímetro ou a largura de uma ponta de lápis afiada, marcam taxas diferentes.

Os experimentos, descritos na edição de 17 de fevereiro de 2022 da Natureza, sugerem como fazer relógios atômicos 50 vezes mais precisos do que os melhores projetos de hoje e oferecem um caminho para talvez revelar como a relatividade e a gravidade interagem com a mecânica quântica, um grande dilema da física.

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

“O resultado mais importante e emocionante é que podemos potencialmente conectar a física quântica com a gravidade, por exemplo, sondando a física complexa quando as partículas são distribuídas em diferentes locais no espaço-tempo curvo”, disse Jun Ye, membro do NIST/JILA. “Para cronometragem, também mostra que não há obstáculo para tornar os relógios 50 vezes mais precisos do que hoje – o que é uma notícia fantástica.”

JILA Redshift Atom Cloud

Os pesquisadores do JILA mediram a dilatação do tempo, ou como a taxa de tique-taque de um relógio atômico variava de acordo com a elevação, dentro dessa pequena nuvem de átomos de estrôncio. Crédito: Jacobson/NIST

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 práticas, como a correção de medições de satélites GPS. Embora a teoria tenha mais de um século, os físicos continuam fascinados por ela. Os cientistas do NIST usaram relógios atômicos como sensores para medir a relatividade com cada vez mais precisão, o que pode ajudar a explicar finalmente como seus efeitos interagem com a mecânica quântica, o livro de regras para o mundo subatômico.

De acordo com a relatividade geral, relógios atômicos em diferentes altitudes em um campo gravitacional marcam ritmos diferentes. A frequência da radiação dos átomos é reduzida – deslocada para a extremidade vermelha do espectro eletromagnético – quando observada em gravidade mais forte, mais próxima da Terra. Ou seja, um relógio tiquetaqueia mais lentamente em altitudes mais baixas. Este efeito foi demonstrado repetidamente; por exemplo, Físicos do NIST mediram em 2010 comparando dois relógios atômicos independentes, um posicionado 33 centímetros acima do outro.

Os pesquisadores do JILA agora mediram as mudanças de frequência entre o topo e o fundo de uma única amostra de cerca de 100.000 átomos de estrôncio ultrafrios carregados em um rede ópticauma configuração de laboratório semelhante à do grupo relógios atômicos anteriores. Neste novo caso, a treliça, que pode ser visualizada como uma pilha de panquecas criadas por raios 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 átomos, homogeneíza a amostra e estende as ondas de matéria dos átomos, cujas formas indicam a probabilidade de encontrar os átomos em determinados locais. Os estados de energia dos átomos são tão bem controlados que todos eles oscilaram entre dois níveis de energia em uníssono exato por 37 segundos, um recorde para o que é chamado de coerência quântica.

Crucial para os novos resultados foram os esforços do grupo Ye inovação de imagemque forneceu um mapa microscópico de distribuições de frequência em toda a amostra e seu método de comparação de duas regiões de um[{” attribute=””>atom cloud rather than the traditional approach of using two separate clocks.

The measured redshift across the atom cloud was tiny, in the realm of 0.0000000000000000001, consistent with predictions. (While much too small for humans to perceive directly, the differences add up to major effects on the universe as well as technology such as GPS.) The research team resolved this difference quickly for this type of experiment, in about 30 minutes of averaging data. After 90 hours of data, their measurement precision was 50 times better than in any previous clock comparison.

“This a completely new ballgame, a new regime where quantum mechanics in curved space-time can be explored,” Ye said. “If we could measure the redshift 10 times even better than this, we will be able to see the atoms’ whole matter waves across the curvature of space-time. Being able to measure the time difference on such a minute scale could enable us to discover, for example, that gravity disrupts quantum coherence, which could be at the bottom of why our macroscale world is classical.”

Better clocks have many possible applications beyond timekeeping and navigation. Ye suggests atomic clocks can serve as both microscopes to see minuscule links between quantum mechanics and gravity and as telescopes to observe the deepest corners of the universe. He is using clocks to look for mysterious dark matter, believed to constitute most matter in the universe. Atomic clocks are also poised to improve models and understanding of the shape of the Earth through the application of a measurement science called relativistic geodesy.

Reference: “Resolving the gravitational redshift in a millimetre-scale atomic sample” by Tobias Bothwell, Colin J. Kennedy, Alexander Aeppli, Dhruv Kedar, John M. Robinson, Eric Oelker, Alexander Staron & Jun Ye, 16 February 2022, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-021-04349-7

Funding was provided by the Defense Advanced Research Projects Agency, National Science Foundation, Department of Energy Quantum System Accelerator, NIST and Air Force Office for Scientific Research.





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