Ao comparar diferentes tipos de relógios atômicos remotos, físicos do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) realizaram o teste mais preciso de um princípio fundamental subjacente à famosa teoria da relatividade geral de Albert Einstein, que descreve como a gravidade se relaciona com o espaço e o tempo.

O resultado do NIST, possibilitado por melhorias contínuas nos relógios atômicos mais precisos do mundo, produz um recorde de baixa, valor excessivamente pequeno para uma quantidade que Einstein previu ser zero.

Conforme descrito em um Física da Natureza artigo publicado online em 4 de junho, Os pesquisadores do NIST usaram o sistema solar como um laboratório para testar o experimento mental de Einstein envolvendo a Terra como um elevador em queda livre. Einstein teorizou que todos os objetos localizados em tal elevador acelerariam na mesma taxa, como se estivessem em um campo gravitacional uniforme - ou sem gravidade alguma. Além disso, ele previu, as propriedades desses objetos em relação umas às outras permaneceriam constantes durante a queda livre do elevador.

Em seu experimento, a equipe do NIST considerou a Terra como um elevador caindo no campo gravitacional do Sol. Eles compararam os dados registrados sobre os "tiques" de dois tipos de relógios atômicos localizados ao redor do mundo para mostrar que permaneceram em sincronia por mais de 14 anos, mesmo com a atração gravitacional do elevador variado durante a órbita ligeiramente desequilibrada da Terra em torno do sol. Os pesquisadores compararam os dados de 1999 a 2014 para um total de 12 relógios - quatro masers de hidrogênio (lasers de micro-ondas) na escala de tempo NIST com oito dos relógios atômicos de fonte de césio mais precisos operados por laboratórios de metrologia nos Estados Unidos, o Reino Unido, França, Alemanha e Itália.

O experimento foi projetado para testar uma previsão da relatividade geral, o princípio da invariância de posição local (LPI), que mantém isso em um elevador em queda, medidas de efeitos não gravitacionais são independentes de tempo e lugar. Uma dessas medições compara as frequências da radiação eletromagnética de relógios atômicos em diferentes locais. Os pesquisadores restringiram a violação do LPI a um valor de 0,00000022 mais ou menos 0,00000025 - o número mais minúsculo ainda, consistente com o resultado previsto da relatividade geral de zero, e correspondendo a nenhuma violação. Isso significa que a razão entre as frequências de hidrogênio e césio permaneceu a mesma enquanto os relógios se moviam juntos no elevador em queda.

Este resultado tem cinco vezes menos incerteza do que a melhor medição anterior do NIST da violação LPI, traduzindo-se em sensibilidade cinco vezes maior. Esse resultado do início de 2007, a partir de uma comparação de 7 anos de relógios atômicos de césio e hidrogênio, foi 20 vezes mais sensível do que os testes anteriores.

O mais recente avanço na medição se deve a melhorias em diversas áreas, ou seja, relógios atômicos de fonte de césio mais precisos, melhores processos de transferência de tempo (que permitem que dispositivos em locais diferentes comparem seus sinais de tempo), e os dados mais recentes para calcular a posição e velocidade da Terra no espaço, Bijunath Patla do NIST disse.

"Mas a principal razão de termos feito este trabalho foi para destacar como os relógios atômicos são usados ​​para testar a física fundamental; em particular, os fundamentos da relatividade geral, "Patla disse." Esta é a afirmação feita com mais freqüência quando os relojoeiros se esforçam para melhor estabilidade e precisão. Nós amarramos testes de relatividade geral com relógios atômicos, observe as limitações da geração atual de relógios, e apresentar uma perspectiva futura de como os relógios da próxima geração se tornarão muito relevantes. "

É improvável que outros limites de LPI sejam obtidos usando relógios de hidrogênio e césio, os pesquisadores dizem, mas relógios experimentais de última geração baseados em frequências ópticas, que são muito mais altas do que as frequências dos relógios de hidrogênio e césio, poderia oferecer resultados muito mais sensíveis. O NIST já opera uma variedade desses relógios com base em átomos como itérbio e estrôncio.

Porque tantas teorias e cálculos científicos estão interligados, Os pesquisadores do NIST usaram seu novo valor para a violação LPI para calcular variações em várias "constantes" fundamentais da natureza, quantidades físicas consideradas universais e amplamente utilizadas na física. Seus resultados para a massa de quark leve foram os melhores de todos os tempos, enquanto os resultados para a constante de estrutura fina concordam com os valores relatados anteriormente para qualquer par de átomos.