Testando a simetria do Espaço-Tempo

Testando a simetria do Espaço-Tempo

Segundo Einstein, a velocidade da luz é sempre a mesma. Mas, de acordo com modelos teóricos de gravitação quântica, essa uniformidade do espaço-tempo não se aplica às partículas. Os físicos tentaram agora detectar uma mudança na uniformidade do espaço-tempo usando dois relógios óticos de itérbio. Seus resultados são publicados na edição atual da Nature.

Em sua Teoria da Relatividade Especial, Einstein formulou a hipótese segundo a qual a velocidade da luz é sempre a mesma, não importando quais sejam as condições. Pode, no entanto, ser possível que - de acordo com modelos teóricos de gravitação quântica - essa uniformidade do espaço-tempo não se aplique às partículas. Os físicos testaram essa hipótese com uma primeira comparação a longo prazo de dois relógios óticos de itérbio no Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB). Com esses relógios, cujo erro equivale a apenas um segundo em dez bilhões de anos, deve ser possível medir até mesmo desvios extremamente pequenos do movimento dos elétrons no itérbio. Mas os cientistas não detectaram nenhuma mudança quando os relógios foram orientados de maneira diferente no espaço. Devido a esse resultado, o limite atual para testar a simetria espaço-temporal por meio de experimentos foi drasticamente melhorado por um fator de 100. Além disso, a incerteza de medição sistemática extremamente pequena dos relógios óticos de itérbio de menos de 4 × 10E-18 foi confirmado. A equipe formada por físicos do PTB e da Universidade de Delaware publicou seus resultados na edição atual doNatureza .

É um dos mais famosos experimentos de física da história: já em 1887, Michelson e Morley demonstraram o que Einstein mais tarde expressou na forma de uma teoria. Com o auxílio de um interferômetro rotativo, eles compararam a velocidade da luz ao longo de dois eixos ópticos que se movem verticalmente entre si. O resultado desse experimento tornou-se um dos enunciados fundamentais da Teoria Especial da Relatividade de Einstein: A velocidade da luz é a mesma em todas as direções do espaço. Agora pode-se perguntar: essa simetria de espaço (que recebeu o nome de Hendrik Antoon Lorentz) também se aplica ao movimento de partículas materiais? Ou há alguma direção em que essas partículas se movam mais rápido ou mais lentamente, embora a energia permaneça a mesma? Especialmente para altas energias das partículas,

Agora, um experimento foi realizado com dois relógios atômicos para investigar essa questão com alta precisão. As frequências desses relógios atômicos são controladas pela freqüência de ressonância de um único íon Yb + que é armazenado em uma armadilha. Enquanto os elétrons dos íons Yb + têm uma distribuição esfericamente simétrica no estado fundamental, no estado excitado eles exibem uma função de onda distintamente alongada e, portanto, movem-se principalmente ao longo de uma direção espacial. A orientação da função de onda é determinada por um campo magnético aplicado dentro do relógio. A orientação de campo foi escolhida para estar aproximadamente em ângulos retos nos dois relógios. Os relógios estão firmemente montados em um laboratório e giram junto com a Terra uma vez por dia (mais exatamente: uma vez em 23,9345 horas) em relação às estrelas fixas. Se os elétrons a velocidade dependia da orientação no espaço, isso resultaria em uma diferença de freqüência entre os dois relógios atômicos que ocorreria periodicamente, juntamente com a rotação da Terra. Para poder diferenciar claramente tal efeito de quaisquer influências técnicas possíveis, as frequências dos relógios Yb + foram comparadas por mais de 1000 horas. Durante o experimento, nenhuma mudança entre os dois relógios foi observada durante o período de duração de alguns minutos até 80 horas. Para a interpretação teórica e cálculos relativos à estrutura atômica do íon Yb +, a equipe do PTB trabalhou em colaboração com teóricos da Universidade de Delaware (EUA). Os resultados que agora foram obtidos melhoraram os limites estabelecidos em 2015 por pesquisadores da Universidade da Califórnia,

Em média ao longo do tempo de medição total, ambos os relógios exibiram um desvio de frequência relativo inferior a 3 × 10E-18. Isso confirma a incerteza combinada do relógio que anteriormente havia sido estimado em 4 × 10E-18. Além disso, é um passo importante na caracterização de relógios ópticos atômicos neste nível de precisão. Somente depois de aproximadamente dez bilhões de anos esses relógios se desviariam um do outro em um segundo.

Artigo:

Christian Sanner, Nils Huntemann, Richard Lange, Christian Tamm, Ekkehard Peik, Marianna S. Safronova, Sergey G. Porsev. Optical clock comparison for Lorentz symmetry testing. Nature, 2019 DOI: 10.1038/s41586-019-0972-2

Fonte:

www.sciencedaily.com/releases/2019/03/190313143300.htm

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