Relógio atômico conecta diretamente o tempo à matéria

Mesclando mecânica quântica e relatividade, físicos demonstraram que a massa pode ser usada para medir o tempo e vice-versa. [Imagem: Pei-Chen Kuan]

Relógio conecta diretamente o tempo à matéria

Tempos e relógios

O tempo é algo que todos damos por certo, quase um senso comum.

Mas, há muito tempo, filósofos e cientistas tentam entender o que é o tempo.

Eles falam na seta do tempo, em viajar no tempo, reverter o tempo, fazer buracos no tempo, cristais do tempo que possam sobreviver ao fim do Universo  e até mesmo em influência escondidas além do espaço-tempo mas ninguém sabe exatamente o que é o tempo, ou mesmo se o tempo é real ou uma ilusão.

Por exemplo, quando perguntaram a Einstein o que era o tempo, ele respondeu: “Tempo é aquilo que os relógios marcam, nada mais.”

Uma resposta animadora, porque traz uma esperança de saída desse beco na forma de uma nova questão que se coloca imediatamente: “E o que é um relógio?”

Medições do tempo

Ao longo da história, os homens têm medido o tempo contando oscilações de fenômenos que apresentam movimentos regulares, como o Sol, um pêndulo, ou o tiquetaque dos relógios mecânicos, ou as vibrações de um cristal de quartzo.

Mais recentemente, em busca de tiquetaques cada vez mais rápidos – e de um tempo definido com uma precisão cada vez maior – os cientistas se voltaram para as oscilações no interior dos átomos, criando os relógios atômicos.

Einstein ficaria satisfeito de saber que, hoje, são os relógios atômicos que definem o que é o tempo.

No Sistema Internacional de Unidades (SI), um segundo é definido como a duração de 9.192.631.770 períodos da radiação correspondente à transição entre dois níveis hiperfinos do estado fundamental do átomo de césio 133.

Ora, se isso é o tempo, Shau-Yu Lan e seus colegas da Universidade da Califórnia em Berkeley, nos Estados Unidos, acabam de dar uma outra cara ao tempo.

Interligação entre tempo e matéria

A equipe de Lan construiu um novo tipo de relógio cujos tiquetaques não dependem da frequência de transição de um átomo, mas da massa do próprio átomo de césio.

Relógio conecta diretamente o tempo à matéria

A equipe e, sobre a mesa, o relógio que unifica matéria e tempo. [Imagem: Damon English]

Ou seja, o tempo acaba de ser definido a partir da matéria propriamente dita, sem nem mesmo ser necessário converter massa em energia.

O grupo demonstrou que a massa e o tempo estão diretamente ligados, e que um relógio atômico de massa pode ser ainda mais preciso do que os relógios atômicos tradicionais, baseados em oscilações, eventualmente sendo o relógio mais fundamental já criado.

Eles fizeram isto usando um “pente de frequências”, um dispositivo que emite uma série contínua de pulsos de luz, e um interferômetro onda-matéria, para medir uma propriedade do átomo de césio conhecida como frequência de Compton.

Essa frequência, também conhecida como comprimento de onda de Compton, faz uma associação entre a energia de um fóton e a massa de uma partícula, e estabelece uma limitação fundamental na medição de uma partícula quando se leva em conta tanto a mecânica quântica quanto a relatividade especial de Einstein.

A frequência de Compton é 100 bilhões de vezes mais rápida do que a frequência da luz visível, o que torna sua medição um grande desafio.

Os cientistas valeram-se então do paradoxo dos gêmeos, derivado da teoria da relatividade de Einstein, que afirma que um gêmeo que viaje em uma nave espacial muito rápida envelhecerá menos do que seu irmão que permanecer na Terra.

A equipe usou o interferômetro para dividir a onda de matéria do átomo – o “jeitão” onda do átomo, em contraposição ao seu “jeitão” partícula – de césio em duas – uma permanecendo estacionária, enquanto a outra se movia – e depois recombinando-as novamente.

Isso permitiu medir apenas a diferença entre as duas – o quanto o primeiro gêmeo envelhece mais do que o outro -, algo na faixa dos 100 KHz.

Como essa diferença depende da massa do átomo, ela funciona como o tiquetaque do relógio.

Dessa mistura de massa, relatividade e mecânica quântica, os físicos derivaram uma medição do tempo tão precisa que poderá ajudar reconstruir a própria definição de tempo no SI.

Redefinição de quilograma

Mas o experimento traz implicações adicionais.

A unificação entre tempo e massa significa que o novo relógio também pode funcionar como uma balança, medindo a massa com base na frequência de Compton – com uma precisão de 4 x 10-9.

Em teoria, isso significa que, em vez de um cilindro de platina e irídio que não se sabe ao certo se fica mais leve ou mais pesado a cada dia, o quilograma poderá ser vinculado ao segundo, usando os já bem definidos valores da constante de Planck e da velocidade da luz.

E tudo isto usando um único átomo.

 “Em conclusão, nós demonstramos um relógio estabilizado para a massa em repouso de uma partícula. Ele evidencia a íntima conexão entre a frequência e a massa. Isso prova que partículas massivas podem servir como uma referência de frequência sem exigir que sua massa seja convertida em energia, como uma ilustração explícita de um princípio fundamental da mecânica quântica,” escrevem os pesquisadores.

Bibliografia:

A Clock Directly Linking Time to a Particle’s Mass
Shau-Yu Lan, Pei-Chen Kuan, Brian Estey, Damon English, Justin M. Brown, Michael A. Hohensee, Holger Müller
Science
Vol.: ScienceXpress
DOI: 10.1126/science.1230767

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