Levaria 15 bilhões de anos para que o relógio que ocupa o laboratório no porão de Jun Ye na Universidade do Colorado perdesse um segundo - sobre há quanto tempo o universo existe.

Em 25 de janeiro de 2017, imagem cortesia do Dr. Ed Marti, mostra um relógio de estrutura óptica de estrôncio, armazenado no laboratório de Jun Ye na Universidade do Colorado, Boulder.

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Por esta invenção, o cientista sino-americano, junto com Hidetoshi Katori do Japão, dividirá US$ 3 milhões como co-vencedores do 2022 Breakthrough Prize in Fundamental Physics.

Trabalhando independentemente, os dois desenvolveram técnicas usando lasers para capturar e resfriar átomos e, em seguida, controlar suas vibrações para acionar o que é conhecido como "relógios de rede óptica", as peças de cronometragem mais precisas já construídas.

Em comparação, os relógios atômicos atuais perdem um segundo a cada 100 milhões de anos. Mas o que se ganha com uma maior precisão?

"É realmente um instrumento que permite a você sondar a estrutura básica do espaço-tempo no universo", disse Ye à AFP.

No laboratório de Ye, os pesquisadores mostraram que o tempo se move mais devagar quando o relógio se aproxima do solo por alguns centímetros, em linha com as previsões da relatividade de Einstein. Aplicados à tecnologia atual, esses relógios podem melhorar a precisão da navegação GPS por um fator de mil, ou ajudar a pousar suavemente um avião espacial não tripulado em Marte.

Esta foto de folheto sem data, obtida em 8 de setembro de 2021, mostra o cientista sino-americano Jun Ye, o inventor de um relógio superpreciso.

Uma breve História do Tempo

Melhorar a precisão e exatidão da marcação do tempo tem sido uma meta desde que os antigos egípcios e chineses fizeram relógios de sol.

Um grande avanço veio com a invenção do relógio de pêndulo em 1656, que depende de um peso oscilante para marcar as horas, e algumas décadas depois os cronômetros eram precisos o suficiente para determinar a longitude de um navio no mar.

O início do século 20 viu o advento dos relógios de quartzo, que quando sacudidos com eletricidade ressoam em frequências muito específicas, ou número de tiques por segundo. Os relógios de quartzo são onipresentes na eletrônica moderna, mas ainda são um tanto suscetíveis a variações causadas pelo processo de fabricação ou por condições como temperatura.

O próximo grande salto na cronometragem veio do aproveitamento dos movimentos dos átomos energizados para desenvolver relógios atômicos, que são imunes aos efeitos de tais variações ambientais. Os físicos sabem que uma única frequência muito alta fará com que partículas chamadas elétrons que orbitam o núcleo de um tipo específico de átomo saltem para um estado de energia superior, encontrando uma órbita mais distante do núcleo.

Os relógios atômicos geram a frequência aproximada que faz com que os átomos do elemento Césio saltem para esse estado de energia superior. Em seguida, um detector conta o número desses átomos energizados, ajustando a frequência, se necessário, para tornar o relógio mais preciso. Tão preciso que, desde 1967, um segundo foi definido como 9.192.631.770 oscilações de um átomo de césio.

Explorando o universo e a Terra

Os laboratórios de Katori e Ye encontraram maneiras de melhorar ainda mais os relógios atômicos, movendo as oscilações para a extremidade visível do espectro eletromagnético, com frequências cem mil vezes mais altas do que as usadas nos relógios atômicos atuais, para torná-los ainda mais precisos.

Eles perceberam que precisavam de uma maneira de prender os átomos, neste caso, do elemento estrôncio - e mantê-los imóveis com temperaturas ultrabaixas para ajudar a medir o tempo corretamente.

Se os átomos estivessem caindo devido à gravidade ou estivessem se movendo, haveria uma perda de precisão e a relatividade causaria efeitos de distorção na marcação do tempo. Para prender os átomos, os inventores criaram uma "rede óptica" feita por ondas de laser que se movem em direções opostas para formar uma forma estacionária semelhante a uma caixa de ovo.

Ye está animado com o uso potencial de seu relógio. Por exemplo, sincronizar os relógios dos melhores observatórios do mundo até as menores frações de segundo permitiria aos astrônomos conceitualizar melhor os buracos negros. Relógios melhores também podem lançar uma nova luz sobre os processos geológicos da Terra.

A relatividade nos diz que o tempo desacelera quando se aproxima de um corpo massivo, então um relógio suficientemente preciso poderia dizer aos cientistas a diferença entre rocha sólida e lava vulcânica abaixo da superfície, ajudando a prever uma erupção.

Ou, de fato, medir os níveis dos oceanos, ou quanta água flui sob um deserto. O próximo grande desafio, diz Ye, será miniaturizar a tecnologia para que ela possa ser removida de um laboratório.

O cientista admite que às vezes é difícil explicar os conceitos fundamentais da física ao público.

"Mas quando ouvem falar de relógios, podem sentir que é algo tangível, podem fazer uma conexão com isso e isso é muito gratificante", disse ele.

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Referência:

AHMED, Issam. What the world's most accurate clock can tell us about Earth and the cosmos. Phys Org, 09, set. 2021. Disponível em: <https://phys.org/news/2021-09-world-accurate-clock-earth-cosmos.html>. Acesso em: 11, set. 2021.