Redefinindo o tempo usando relgios de luz quntica

Espao

Redação do Site Inovação Tecnológica – 23/01/2023

Relgio quntico de luz

A teoria quntica e a relatividade tm diferentes concepes de tempo, que rgido, absoluto e independente na primeira, mas malevel e intrinsecamente ligado ao espao na segunda.

Os relgios atmicos atingiram um nvel de preciso em que resolvem a dilatao gravitacional do tempo, previsto pela relatividade, em escalas menores do que suas prprias extenses (o tamanho do relgio). Assim, usar esses relgios para redefinir o tempo um tpico importante da pesquisa quntica.

Mas um trio de fsico da Alemanha, ustria e Reino Unido quer trabalhar com um modelo de relgio que seja compatvel com a mecnica quntica e com a relatividade geral. E, nessa fronteira, o tamanho do relgio faz toda a diferena.

“Na presena do campo gravitacional da Terra, um relgio em um local mais alto funcionar em um ritmo diferente de um relgio em uma altura diferente,” explicou a professora Ivette Fuentes, da Universidade de Southampton. “Usamos a luz para estudar esse desafio de construir um relgio na interface da mecnica quntica e da relatividade geral.”

Esse “relgio de luz” no um relgio tpico, mas um construto terico atribudo a Einstein, no qual os temporizadores so constitudos por dois espelhos e um raio de luz que se propaga continuamente indo e voltando entre os espelhos. Para compatibilidade com a mecnica quntica, a luz no vista como um feixe contnuo, mas como uma sequncia ultrarrpida de ftons que, ao bater nos espelhos, so responsveis pelos tique-taques do relgio.

O modelo do relgio de luz quntica foi escolhido porque as equaes da teoria quntica de campos no espao curvo permitem fazer uma descrio consistente de um sistema quntico que estiver sob o efeito de um campo gravitacional, seja o produzido pela Terra ou por um buraco negro, permitindo falar a linguagem das duas teorias na mesma descrio.

Falando a mesma lngua do tempo

Os pesquisadores avaliaram orientaes verticais e horizontais de um campo eletromagntico, tambm quantizado, confinado em uma cavidade retangular localizada a uma distncia fixa de uma fonte gravitacional esfrica.

Os resultados mostraram que – dada uma medio de tempo externa “absoluta” como referncia – um relgio de luz verticalmente orientado, e com meros 20 cm de comprimento, consegue detectar a dilatao do tempo que ocorre pelo efeito gravitacional em distncias menores do que a prpria escala de comprimento do relgio de luz.

Isto bem prximo do que j se consegue fazer pela tcnica tradicional, usando relgios atmicos – nesse quesito, a teoria de Einstein foi medida com preciso indita h menos de um ano.

Mas ainda mais importante para a teoria, uma vez que a escala do prprio relgio importante para os clculos de preciso. Como, na teoria, os relgios de luz so entidades com propriedades de um ponto geomtrico, ou seja, sem extenso, este trabalho um passo rumo ao uso de relgios reais, que possuem extenso, na descrio de fenmenos, descries estas nas quais o elemento tempo simultaneamente quntico e relativstico.

“A unificao da teoria quntica e da relatividade geral continua sendo uma das questes em aberto mais importantes na fsica fundamental. Um problema central que estamos perdendo informaes experimentais em escalas onde coexistem efeitos qunticos e relativsticos. Desenvolver instrumentos sensveis nessas escalas tambm pode ajudar a responder outras grandes questes, como a natureza da energia escura e da matria escura,” concluiu a equipe.

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