sexta-feira, 11 de janeiro de 2013
Mesclando mecânica quântica e relatividade,
físicos demonstraram que a massa pode ser usada para medir o tempo e
vice-versa. [Imagem: Pei-Chen
Kuan]
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 influências escondidas além do
espaço-tempo - mas ninguém sabe exatamente o que é o tempo, ou mesmo se o tempo
é real ou é 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.
A equipe e, sobre a mesa, o relógio que unifica
matéria e tempo. [Imagem: Damon
English]
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.
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.
Leis da Física variam ao longo do Universo
"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.
FONTE: SITE INOVAÇÃO TECNOLOGICA
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