Relógio atômico pode testar tempo quântico na relatividade de Einstein

Todo satélite de GPS leva embutida no software uma correção essencial. A relatividade de Einstein afirma que relógios “andam” mais depressa onde a gravidade é mais fraca - e os engenheiros precisaram levar isso em conta muito antes de os satélites conseguirem apontar uma posição com precisão. A dilatação do tempo não é apenas uma ideia de sala de aula.

Ainda assim, todas as medições feitas até hoje cabem em um quadro clássico: o tempo passa mais rápido ou mais devagar, mas nunca de um jeito mais estranho do que isso. Um novo estudo teórico descreve, com detalhes, como alterar esse cenário.

Por dentro de um relógio atômico

Um relógio atômico não tem ponteiros. Ele marca o tempo contando quantas vezes a luz pulsa exatamente na frequência que um determinado átomo absorve de forma natural.

Quando um laser ajustado incide sobre um único íon, o átomo ou absorve a luz, ou não. O laser se prende (fica “travado”) nessa frequência. Assim surgem os “tiques”: centenas de trilhões por segundo - consistentes, ano após ano.

As versões mais avançadas desses aparelhos hoje desviam menos de 1 segundo ao longo da idade do universo. Eles sustentam o GPS, a sincronização de redes e uma parcela crescente de pesquisas em física fundamental.

Em 2022, um experimento no JILA, no Colorado, detectou diferenças nas taxas dos relógios ao longo de cerca de 1 milímetro (0,04 polegada) de separação vertical - aproximadamente a largura da ponta de um lápis.

Onde Einstein entra

Essa medição na escala da ponta do lápis é uma história de relatividade. Pela relatividade geral de Einstein, relógios funcionam mais lentamente quanto mais fundo estão em um poço gravitacional - efeito conhecido como dilatação do tempo.

Ao elevar um relógio, ele passa a “ticar” um pouco mais rápido. Ao fazê-lo se mover pelo espaço com maior velocidade, ele passa a “ticar” um pouco mais devagar. Os dois efeitos já foram observados repetidas vezes, com relógios atômicos realizando as medições.

Mesmo assim, as teorias usadas para explicar esses resultados tratam o próprio tempo como um parâmetro único e suave, ao fundo. O relógio é quântico. Aquilo que ele mede, não.

Quando o tempo se torna quântico

Na mecânica quântica, é comum encontrar objetos que se recusam a escolher uma única possibilidade. Um elétron pode estar em dois níveis de energia ao mesmo tempo; um átomo pode ocupar dois lugares ao mesmo tempo. Essa condição tem nome: superposição quântica.

Até agora, ninguém observou o próprio tempo se comportando desse modo. Porém, se um objeto quântico pode existir em uma superposição de movimentos, a relatividade indica que cada movimento carrega a sua própria taxa de passagem do tempo.

Assim, o “tempo próprio” do objeto - o tempo lido por um relógio que viaja junto com ele - também deveria existir em superposição. Em outras palavras, diferentes fluxos de tempo poderiam se sobrepor no mesmo átomo.

Comportamento quântico em um relógio

O professor associado Joshua Foo, da Universidade de Kyushu, em Fukuoka, no Japão, foi um dos autores principais do artigo, que explica como esse efeito quântico poderia aparecer em um relógio real.

A previsão central é que, em um relógio preciso o bastante para enxergar o efeito, o movimento do átomo passa a ficar emaranhado com o estado de energia que o relógio acompanha. Movimento e energia tornam-se interligados.

Se isso ocorrer, a interferência quântica do próprio relógio fica levemente distorcida - um sinal que, segundo os autores, as ferramentas de medição atuais já deveriam conseguir detectar.

“Descobrimos que o movimento do relógio atômico fica ‘emaranhado’ com sua energia interna. A assinatura desse emaranhamento é que o próprio relógio perde algumas de suas propriedades quânticas, o que pode ser detectado usando técnicas modernas”, disse Foo.

Reforçando o sinal do relógio

A equipe também detalhou como tornar o sinal mais forte. Hoje, íons aprisionados ficam dentro de gaiolas eletromagnéticas e são resfriados até muito perto do zero absoluto, onde o movimento residual precisa ser descrito em termos quânticos.

Ao preparar o íon em um estado comprimido - determinando melhor sua posição ao custo de tornar sua velocidade menos previsível - o efeito previsto se amplifica por um fator de 100 a 1.000.

Um salto dessa ordem pode criar oportunidades experimentais reais. Pesquisas existentes sobre relógios ópticos de próxima geração já incorporaram estados comprimidos ao conjunto de técnicas.

Construindo o relógio quântico

Por enquanto, a ideia continua sendo uma proposta teórica. Em princípio, o hardware necessário já existe - laboratórios já constroem relógios ópticos de íons usando átomos únicos carregados.

Alumínio e itérbio - um metal denso e prateado - são as duas escolhas mais comuns. Ambos podem ser resfriados para perto do zero absoluto e aprisionados com lasers precisos o suficiente para detectar o efeito previsto pelos pesquisadores.

O que ainda falta é um protocolo experimental unificado: o grau adequado de compressão, o método correto de interrogatório e condições limpas o suficiente para extrair a assinatura do meio do ruído.

“Naturalmente, trazer nosso modelo teórico para a realidade é o grande próximo passo, e desenvolver um experimento detalhado que leve em conta a imprevisibilidade do mundo real nos dará mais insights sobre nosso modelo”, disse Foo.

O futuro do tempo quântico

Há um século a física busca o ponto de encontro entre a relatividade e a mecânica quântica. O tempo permanece como um dos impasses mais profundos.

Até este estudo, ninguém havia traçado um caminho experimental de curto prazo para testar se o próprio tempo segue regras quânticas. O novo arcabouço oferece esse caminho.

Se um relógio construído nesses moldes vier a exibir a assinatura de emaranhamento prevista, isso representará a primeira observação do tempo próprio existindo em superposição.

Esse resultado abriria as portas para um regime em que o fluxo suave do tempo se curva sob a mecânica quântica. As mesmas técnicas poderiam então investigar uma questão ainda mais espinhosa: o lado quântico da gravidade.