As teorias da relatividade de Albert Einstein, publicadas no início do século XX, mudaram fundamentalmente a forma como entendemos o tempo. Revelaram que o tempo não é absoluto; em vez disso, pode ser afetado pelo movimento – especificamente, os relógios que se movem rapidamente ou aceleram experimentam um fenômeno conhecido como dilatação do tempo, onde eles funcionam mais lentamente do que os relógios estacionários. Embora este efeito tenha sido observado em objetos relativamente grandes, os investigadores estão agora a explorar uma nova forma de testá-lo numa escala incrivelmente pequena, utilizando átomos ultrafrios e estruturas baseadas em luz.
Preparando o cenário: dilatação do tempo e física ultrafrio
A dilatação do tempo não é apenas uma curiosidade teórica; é um componente central da física moderna e tem implicações práticas, como a operação de satélites GPS, que devem levar em conta os efeitos relativísticos para funcionarem com precisão. O entendimento atual é que quanto mais rápido um objeto se move ou quanto mais forte é a aceleração que ele experimenta, mais o seu tempo diminui em relação a um observador estacionário. Este princípio também se aplica ao movimento circular, o que significa que mover-se em círculo também pode causar dilatação do tempo.
Para investigar estes efeitos ao nível quântico, uma equipa liderada por Vassilis Lembessis, da Universidade King Saud, está a aproveitar o poder da física ultrafria. Em temperaturas apenas uma fração de grau acima do zero absoluto – uma temperatura incrivelmente baixa – as propriedades quânticas dos átomos e moléculas tornam-se muito mais controláveis. Ao manipular com precisão átomos e moléculas com lasers e campos eletromagnéticos, os cientistas podem explorar os efeitos da rotação e da aceleração com detalhes sem precedentes.
A “roda gigante óptica” e os relógios quânticos
Em 2007, Lembessis e seus colaboradores foram os pioneiros em um método para capturar e girar átomos no formato de um cilindro usando feixes de laser cuidadosamente sintonizados. Eles apelidaram esta estrutura de “roda gigante óptica”, e suas pesquisas mais recentes sugerem que essas estruturas minúsculas poderiam fornecer uma plataforma ideal para observar a dilatação relativística do tempo no reino quântico.
Especificamente, os pesquisadores propõem usar moléculas de nitrogênio como cobaias. Eles veem o movimento dos elétrons dentro dessas moléculas como um “relógio” interno. Ao observar as moléculas girando dentro da roda gigante óptica, eles esperam detectar pequenas mudanças na “frequência do tique-taque” – essencialmente, detectando o efeito da dilatação do tempo. A precisão potencial destas medições é surpreendente: os investigadores pretendem detectar alterações tão pequenas como uma parte em 10 quatriliões.
Uma nova fronteira para testes de relatividade
Embora o conceito de usar rodas-gigantes ópticas seja atraente, os experimentos usando essas configurações têm sido, até agora, relativamente incomuns. Esta nova proposta abre, portanto, a porta a um novo campo de testes para a relatividade, onde poderão surgir efeitos anteriormente inexplorados. A natureza quântica destas partículas ultrafrias pode até desafiar a “hipótese do relógio” fundamental – a suposição de que a aceleração de um objeto influencia diretamente o seu tempo percebido.
“É importante verificar e confirmar a nossa compreensão dos fenómenos físicos da natureza”, explica Patrik Öhberg, da Universidade Heriot-Watt. “É quando temos uma surpresa, algo inesperado, que precisamos rever a nossa compreensão e obter uma compreensão mais profunda do universo.”
Vantagens e Desafios
Uma das principais vantagens desta abordagem é que ela evita a necessidade de velocidades excepcionalmente altas, normalmente necessárias para observar efeitos relativísticos. Aidan Arnold, da Universidade de Strathclyde, observa: “Com a incrível precisão dos relógios atômicos… a mudança de horário ‘sentida’ pelos átomos da roda gigante deveria ser perceptível”. Além disso, as curtas distâncias percorridas pelos átomos durante a sua rotação proporcionariam amplas oportunidades para medições precisas.
O ambiente controlado da roda gigante óptica promete revelar novos insights sobre a interação entre a mecânica quântica e a relatividade geral.
A pesquisa tem seus obstáculos. Um desafio técnico significativo será impedir o aquecimento dos átomos ou moléculas, o que perturbaria o seu movimento controlado e invalidaria a experiência. No entanto, os cientistas acreditam que as recompensas potenciais – uma compreensão mais profunda da relatividade à escala quântica – justificam o esforço. Ao controlar cuidadosamente os feixes de laser, o tamanho da roda gigante e, portanto, a rotação dos átomos podem ser ajustados, permitindo testar o efeito de dilatação do tempo para diferentes velocidades de rotação.
O potencial desta abordagem reside na sua capacidade de testar os próprios fundamentos da nossa compreensão do espaço e do tempo, revelando novos insights sobre as leis fundamentais do universo.
