Relógio de luz: A busca por um tempo que mecânica quântica e relatividade entendam

Redação do Site Inovação Tecnológica - 23/01/2023

É um passo importante para migrar dos relógios pontuais da teoria para relógios reais.
[Imagem: Tupac Bravo et al. - 10.1116/5.0123228]

Relógio quântico de luz

A teoria quântica e a relatividade têm diferentes concepções de tempo, que é rígido, absoluto e independente na primeira, mas maleável e intrinsecamente ligado ao espaço na segunda.

Os relógios atômicos atingiram um nível de precisão em que resolvem a dilatação gravitacional do tempo, previsto pela relatividade, em escalas menores do que suas próprias extensões (o tamanho do relógio). Assim, usar esses relógios para redefinir o tempo é um tópico importante da pesquisa quântica.

Mas um trio de físico da Alemanha, Áustria e Reino Unido quer trabalhar com um modelo de relógio que seja compatível com a mecânica quântica e com a relatividade geral. E, nessa fronteira, o tamanho do relógio faz toda a diferença.

"Na presença do campo gravitacional da Terra, um relógio em um local mais alto funcionará em um ritmo diferente de um relógio em uma altura diferente," explicou a professora Ivette Fuentes, da Universidade de Southampton. "Usamos a luz para estudar esse desafio de construir um relógio na interface da mecânica quântica e da relatividade geral."

Esse "relógio de luz" não é um relógio típico, mas um construto teórico atribuído a Einstein, no qual os temporizadores são constituídos por dois espelhos e um raio de luz que se propaga continuamente indo e voltando entre os espelhos. Para compatibilidade com a mecânica quântica, a luz não é vista como um feixe contínuo, mas como uma sequência ultrarrápida de fótons que, ao bater nos espelhos, são responsáveis pelos tique-taques do relógio.

O modelo do relógio de luz quântica foi escolhido porque as equações da teoria quântica de campos no espaço curvo permitem fazer uma descrição consistente de um sistema quântico 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 descrição.

Falando a mesma língua do tempo

Os pesquisadores avaliaram orientações verticais e horizontais de um campo eletromagnético, também quantizado, confinado em uma cavidade retangular localizada a uma distância fixa de uma fonte gravitacional esférica.

Os resultados mostraram que - dada uma medição de tempo externa "absoluta" como referência - um relógio de luz verticalmente orientado, e com meros 20 cm de comprimento, consegue detectar a dilatação do tempo que ocorre pelo efeito gravitacional em distâncias menores do que a própria escala de comprimento do relógio de luz.

Isto é bem próximo do que já se consegue fazer pela técnica tradicional, usando relógios atômicos - nesse quesito, a teoria de Einstein foi medida com precisão inédita há menos de um ano.

Mas é ainda mais importante para a teoria, uma vez que a escala do próprio relógio é importante para os cálculos de precisão. Como, na teoria, os relógios de luz são entidades com propriedades de um ponto geométrico, ou seja, sem extensão, este trabalho é um passo rumo ao uso de relógios reais, que possuem extensão, na descrição de fenômenos, descrições estas nas quais o elemento tempo é simultaneamente quântico e relativístico.

"A unificação da teoria quântica e da relatividade geral continua sendo uma das questões em aberto mais importantes na física fundamental. Um problema central é que estamos perdendo informações experimentais em escalas onde coexistem efeitos quânticos e relativísticos. Desenvolver instrumentos sensíveis nessas escalas também pode ajudar a responder outras grandes questões, como a natureza da energia escura e da matéria escura," concluiu a equipe.

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