Um laser sintonizável excita uma ressonância de banda extremamente estreita em um íon Yb + de um relógio atômico. A função de onda do elétron do estado excitado do íon é marcada em amarelo. Dois íons com funções de onda orientados em ângulos retos são interrogados por meio de luz laser com deslocamento de frequência ajustável para medir uma possível diferença de frequência. Toda a configuração experimental gira junto com a Terra uma vez por dia em relação às estrelas fixas. Crédito:Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB)
Em sua Teoria da Relatividade Especial, Einstein formulou a hipótese de que a velocidade da luz é sempre a mesma, não importa quais sejam as condições. Pode, Contudo, É possível que - de acordo com os modelos teóricos da gravitação quântica - essa uniformidade do espaço-tempo não se aplique às partículas. Os físicos agora testaram essa hipótese com uma primeira comparação de longo prazo de dois relógios ópticos 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 forma diferente no espaço. Devido a este resultado, o limite de corrente para testar a simetria espaço-tempo por meio de experimentos foi drasticamente melhorado por um fator de 100. Além disso, a incerteza de medição sistemática extremamente pequena dos relógios ópticos de itérbio inferior a 4 × 10 -18 foi confirmado. A equipe formada por físicos do PTB e da Universidade de Delaware publicou seus resultados na edição atual do Natureza .
É um dos experimentos de física mais famosos 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 correm verticalmente um ao outro. O resultado desse experimento se tornou uma das afirmações fundamentais da Teoria da Relatividade Especial de Einstein:a velocidade da luz é a mesma em todas as direções do espaço. Agora podemos perguntar:essa simetria do espaço (que recebeu o nome de Hendrik Antoon Lorentz) também se aplica ao movimento das partículas materiais? Ou há alguma direção ao longo da qual essas partículas se movem mais rápido ou mais lentamente, embora a energia permaneça a mesma? Especialmente para altas energias das partículas, modelos teóricos de gravitação quântica predizem uma violação da simetria de Lorentz.
Agora, um experimento foi realizado com dois relógios atômicos para investigar esta questão com alta precisão. As frequências desses relógios atômicos são controladas, cada uma, pela frequência de ressonância de um único Yb + íon que é armazenado em uma armadilha. Enquanto os elétrons do Yb + íons têm uma distribuição esfericamente simétrica no estado fundamental, no estado excitado, eles exibem uma função de onda distintamente alongada e, portanto, se movem 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 do campo foi escolhida para ser aproximadamente em ângulos retos nos dois relógios. Os relógios são montados firmemente 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 a velocidade dos elétrons dependesse da orientação no espaço, isso resultaria em uma diferença de frequência entre os dois relógios atômicos que ocorreria periodicamente, junto com a rotação da Terra.
Para ser capaz de diferenciar esse efeito claramente de quaisquer influências técnicas possíveis, as frequências do Yb + relógios foram comparados por mais de 1000 horas. Durante o experimento, nenhuma mudança entre os dois relógios foi observada para a faixa acessível de durações de período de alguns minutos até 80 horas. Para a interpretação teórica e cálculos relativos à estrutura atômica do Yb + íon, A equipe do PTB trabalhou em colaboração com teóricos da Universidade de Delaware (EUA). Os resultados agora obtidos melhoraram os limites estabelecidos em 2015 por pesquisadores da Universidade da Califórnia, Berkeley com Ca + íons drasticamente por um fator de 100.
Em média sobre o tempo total de medição, ambos os relógios exibiram um desvio de frequência relativo de menos de 3 × 10 -18 . Isso confirma a incerteza combinada do relógio que havia sido anteriormente estimada em 4 × 10 -18 . Além disso, é uma etapa importante na caracterização de relógios atômicos ópticos neste nível de precisão. Somente depois de aproximadamente dez bilhões de anos esses relógios poderiam se desviar um do outro potencialmente por um segundo.
