Cientistas constroem o relógio mais preciso do mundo para entender nosso universo maluco

Quanta precisão você realmente necessita de um relógio, sinceramente? Você provavelmente ainda vai chegar tarde nas festas e exatamente três minutos atrasado em toda reunião. Mas os cientistas que estão criando novos relógios atômicos ultra-precisos não estão pensando em você. Em vez disso, eles estão usando a física para compreender os mistérios do universo que poderiam alterar o próprio tempo.

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Uma equipe de físicos liderada por Sara Campbell, do National Institute of Standards and Technology, utilizou a estranheza da mecânica quântica para criar o relógio atômico mais preciso até agora. Este relógio usa átomos vibrando em três dimensões e uma luz laser para prendê-los em uma espécie de estante em miniatura, onde eles contam as menores unidades de tempo mensuráveis. O relógio pode um dia ajudar cientistas a fazer algumas experiências realmente incríveis.

“O desenvolvimento de um relógio como este representa um dos mais sensíveis e curiosos instrumentos que a humanidade já construiu”, disse Jun Ye, autor do estudo do NIST ao Gizmodo. “Queremos usá-lo para descrever a conexão entre a mecânica quântica,” a matemática que descreve as menores peças do universo “e a relatividade geral,” a teoria que descreve a gravidade.

Os relógios atômicos são apenas átomos que vibram de uma maneira muito especial em resposta à luz. Elétrons que orbitam átomos se organizam em locais específicos como blocos de LEGO individuais em uma grande base do mesmo baterial, com os locais preferenciais ordenados pela energia necessária para mover os elétrons. A energia de um laser pode tirar o elétron de uma posição de maior energia e depois de um determinado período de tempo ele volta atrás e lança sua própria luz. Relógios tiram proveito das oscilações regulares deste processo para definir unidades de tempo com base no número total de idas e vindas.

Originalmente, cientistas usavam microondas para rodar esses relógios, mas agora estão mudando para luz visível, que pode potencialmente oferecer uma melhor precisão – existem mais oscilações para um valor fixo de tempo, explicou Ye. Mas os pesquisadores têm lidado com alguns problemas com esses relógios de luz visível. Quanto mais átomos eles usam, mais, teoricamente, precisos conseguem ser, mas mais átomos também introduzem a possibilidade de interações interatômicas que podem desfazer esses ganhos de precisão. Além disso, o sinal dos átomos que vibram pode ser difuso.

Os cientistas do NIST revelaram uma hoje na revista Science. Relógios mais velhos continham os átomos em apenas uma dimensão, mas movê-los para três dimensões separa melhor o sinal do ruído. Usando um gás especial a temperaturas hiper frias permite que regras de mecânica quântica sejam ativadas em uma escala maior. Isto amplificou uma propriedade específica compartilhada pelos átomos no gás, que reduziu a interação entre eles e ajudou o relógio a ser mais preciso. O avanço irá em breve permitir aos pesquisadores construir relógios maiores com o número de átomos que eles quiserem.

Resumindo, a equipe aproveitou a estranheza da física para fazer o relógio mais atômico e mais preciso do mundo, e ele ainda é ampliável.

Ye pensou que levaria muito tempo até que o  National Institute of Standards and Technology adotasse esse relógio como o padrão, levando em conta o quanto nós já confiamos em nossos relógios existentes. Mas ele, e todo mundo com quem falei, estava mais animado com o potencial dos relógios para a pesquisa básica. Em um relógio de pulso, “você perde um segundo em um ano”, explicou Asimina Arvanitaki, do The Perimeter Institute, no Canadá. Mas o novo relógio “perde um segundo não a cada ano, mas a cada era do universo”. É importante notar que os efeitos da mecânica quântica desmoronam após dez segundos, mas isso é algo no que a equipe trabalha atualmente, o que é muito, muito tempo se você pensar quantas vezes os átomos estão vibrando por segundo.

Relógios super precisos como estes podem ser usados para sondar a física como nunca foi feito antes. Você pode ter ouvido falar da matéria escura, a misteriosa fonte da maioria da massa do universo que os cientistas só podem indiretamente observar. Talvez esses relógios hiper-precisos possam ser usados como detectores, olhando para a menor mudança em sua vibração quando a matéria escura passa. Além disso, a gravidade altera a forma como os relógios batem. Talvez um relógio com base nesse sistema poderia detectar ondas gravitacionais passando, permitindo detectores de mesa ao invés de um com vários quilômetros de extensão.

Naturalmente, ainda há trabalho a se fazer. Francesco Scazza, do European Laboratory for Non-Linear Spectroscopy, explicou (e Ye confirmou) que estes relógios são precisos, ou seja, não há muita discrepância entre os tiques, mas a equipe de Ye não testou os relógios em sua exatidão, como o seu tique-taque se compara à forma como o próprio tique-taque do universo bate. “Normalmente o que eles precisam fazer é referência-lo com outro relógio”, disse Scazza. Ye também disse ao Gizmodo que ainda há potencial para outras interações que prejudiquem a precisão entre os átomos, e maneiras de tornar o pulso do relógio maior do que dez segundos antes do sistema quântico entrar em colapso.

Ye ficou muito animado sobre o uso de novo aspectos da física quântica e suas aplicações no mundo real de uma forma que tanto impacte nossas vidas quanto ajuda a descobrir os mistérios do Universo. Ele disse: “Isso abre uma nova era na construção de um relógio atômico, onde dentro do coração do relógio há matéria quântica”.

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Imagem do topo: G.E. Marti/JILA