Dessa vez, foi a parte gravitacional do desvio para o vermelho da Relatividade Geral; e o rigor? Um surpreendente melhor do que uma parte em 100 milhões!
Como Steven Chu (Secretário de Energia dos EUA, embora este trabalho tenha sido realizado enquanto ele estava na Universidade da Califórnia em Berkeley), Holger Müler (Berkeley) e Achim Peters (Universidade Humboldt em Berlim) foram derrotados no melhor teste de desvio para o vermelho gravitacional anterior (em 1976, usando dois relógios atômicos - um na superfície da Terra e outro enviado a uma altitude de 10.000 km em um foguete) por incríveis 10.000 vezes?
Pela dualidade e superposição explorada de partículas de onda dentro de um interferômetro de átomos!
Sobre esta figura
: Esquema de como o interferômetro atômico opera. As trajetórias dos dois átomos são plotadas em função do tempo. Os átomos estão acelerando devido à gravidade e as linhas oscilatórias representam o acúmulo de fase das ondas de matéria. As setas indicam os tempos dos três pulsos de laser. (Cortesia: Natureza).
O desvio para o vermelho gravitacional é uma conseqüência inevitável do princípio da equivalência subjacente à relatividade geral. O princípio da equivalência afirma que os efeitos locais da gravidade são os mesmos que os de um quadro de referência acelerado. Portanto, a força descendente sentida por alguém em um elevador pode ser igualmente devida a uma aceleração ascendente do elevador ou à gravidade. Os pulsos de luz enviados para cima de um relógio no piso do elevador serão deslocados para vermelho quando o elevador estiver acelerando para cima, o que significa que esse relógio parecerá mais lento quando seus flashes forem comparados no teto do elevador com outro relógio. Como não há como diferenciar gravidade e aceleração, o mesmo se aplica a um campo gravitacional; em outras palavras, quanto maior a atração gravitacional experimentada por um relógio, ou quanto mais próximo ele estiver de um corpo maciço, mais lentamente ele se moverá.
A confirmação desse efeito apóia a idéia de que a gravidade é geometria - uma manifestação da curvatura do espaço-tempo - porque o fluxo de tempo não é mais constante em todo o universo, mas varia de acordo com a distribuição de corpos maciços. É importante explorar a idéia de curvatura do espaço-tempo ao distinguir entre diferentes teorias da gravidade quântica, porque existem algumas versões da teoria das cordas nas quais a matéria pode responder a algo diferente da geometria do espaço-tempo.
O desvio para o vermelho gravitacional, no entanto, como uma manifestação da invariância da posição local (a idéia de que o resultado de qualquer experimento não-gravitacional é independente de onde e quando é realizado no universo) é o menos bem confirmado dos três tipos de experimentos que apoiar o princípio da equivalência. Os outros dois - a universalidade da queda livre e a invariância local de Lorentz - foram verificados com precisão de 10-13 ou melhor, enquanto o desvio para o vermelho gravitacional havia sido previamente confirmado apenas com uma precisão de 7 × 10-5.
Em 1997, Peters usou técnicas de captura de laser desenvolvidas por Chu para capturar átomos de césio e resfriá-los a alguns milionésimos de grau K (a fim de reduzir sua velocidade o máximo possível) e, em seguida, usou um feixe de laser vertical para dar um chute para cima para os átomos, a fim de medir a queda livre gravitacional.
Agora, Chu e Müller reinterpretaram os resultados desse experimento para dar uma medida do desvio para o vermelho gravitacional.
No experimento, cada um dos átomos foi exposto a três pulsos de laser. O primeiro pulso colocou o átomo em uma superposição de dois estados igualmente prováveis - deixando-o sozinho para desacelerar e depois cair de volta para a Terra sob a força da gravidade, ou dando-lhe um chute extra para atingir uma altura maior antes de descer. Um segundo pulso foi então aplicado no momento certo, para empurrar o átomo no segundo estado de volta mais rapidamente em direção à Terra, fazendo com que os dois estados de superposição se encontrassem no caminho abaixo. Nesse ponto, o terceiro pulso mede a interferência entre esses dois estados provocada pela existência do átomo como uma onda, sendo a idéia de que qualquer diferença no desvio gravitacional do vermelho, experimentada pelos dois estados existentes em alturas diferentes da superfície da Terra, seria manifestada como uma mudança na fase relativa dos dois estados.
A virtude dessa abordagem é a frequência extremamente alta da onda de Broglie de um átomo de césio - cerca de 3 × 1025Hz. Embora durante os 0,3 s de queda livre as ondas de matéria na trajetória mais alta tenham experimentado um tempo decorrido de apenas 2 × 10-20s mais do que as ondas na trajetória mais baixa, a enorme frequência de sua oscilação, combinada com a capacidade de medir diferenças de amplitude de apenas uma parte em 1000, significou que os pesquisadores foram capazes de confirmar o desvio para o vermelho gravitacional com uma precisão de 7 × 10-9.
Como Müller coloca: “Se o tempo de queda livre fosse estendido para a idade do universo - 14 bilhões de anos - a diferença de tempo entre as rotas superior e inferior seria de apenas um milésimo de segundo, e a precisão da medição seria 60 ps, o tempo que leva para a luz viajar cerca de um centímetro. ”
Müller espera melhorar ainda mais a precisão das medidas do desvio para o vermelho, aumentando a distância entre os dois estados de superposição dos átomos de césio. A distância alcançada na pesquisa atual foi de apenas 0,1 mm, mas, diz ele, aumentando-a para 1 m, deve ser possível detectar ondas gravitacionais, previstas pela relatividade geral, mas ainda não diretamente observadas.
Fontes: Mundo da Física; o artigo está na edição de 18 de fevereiro de 2010 da revista Nature
