Um dos desafios fundamentais da física é a reconciliação da teoria da relatividade de Einstein com a mecânica quântica. Surge a necessidade de questionar criticamente esses dois pilares da física moderna, por exemplo, de eventos de energia extremamente alta no cosmos, que até agora só pode ser explicado por uma teoria de cada vez, mas não ambas as teorias em harmonia. Pesquisadores de todo o mundo estão, portanto, em busca de desvios das leis da mecânica quântica e da relatividade que podem abrir insights sobre um novo campo da física.

Para uma publicação recente, cientistas da Leibniz University Hannover e da Ulm University assumiram o paradoxo dos gêmeos conhecido da teoria da relatividade especial de Einstein. Este experimento mental gira em torno de um par de gêmeos:enquanto um irmão viaja para o espaço, o outro permanece na Terra. Consequentemente, por um certo período de tempo, os gêmeos estão se movendo em diferentes órbitas no espaço. O resultado quando o casal se reencontra é bastante surpreendente:o gêmeo que viajou pelo espaço envelheceu muito menos do que seu irmão que ficou em casa. Este fenômeno é explicado pela descrição de dilatação do tempo de Einstein:Dependendo da velocidade e de onde no campo gravitacional dois relógios se movem em relação um ao outro, eles marcam em velocidades diferentes.

Para a publicação em Avanços da Ciência , os autores assumiram uma variante da mecânica quântica do paradoxo dos gêmeos com apenas um gêmeo. Graças ao princípio de superposição da mecânica quântica, este gêmeo pode se mover ao longo de dois caminhos ao mesmo tempo. No experimento mental dos pesquisadores, o gêmeo é representado por um relógio atômico. "Esses relógios usam as propriedades quânticas dos átomos para medir o tempo com alta precisão. O próprio relógio atômico é, portanto, um objeto da mecânica quântica e pode se mover através do espaço-tempo em dois caminhos simultaneamente devido ao princípio de superposição. Junto com colegas de Hannover, investigamos como essa situação pode ser percebida em um experimento, "explica o Dr. Enno Giese, assistente de pesquisa no Instituto de Física Quântica de Ulm. Para este fim, os pesquisadores desenvolveram uma configuração experimental para este cenário com base em um modelo físico-quântico.

Uma fonte atômica de 10 metros de altura, que atualmente está sendo construído na Leibniz University Hannover, desempenha um papel essencial neste esforço. Neste interferômetro atômico e com o uso de objetos quânticos como o relógio atômico, os pesquisadores podem testar os efeitos relativísticos - incluindo a dilatação do tempo descrita no paradoxo dos gêmeos. "Em um experimento, enviaríamos um relógio atômico para o interferômetro. A questão crucial é então:sob quais condições uma diferença de tempo pode ser medida após o experimento, durante o qual o relógio está simultaneamente em duas órbitas, afinal, "explica Sina Loriani, do Institute of Quantum Optics da Leibniz University Hannover.

O trabalho teórico preliminar dos físicos de Ulm e Hannover é muito promissor:conforme descrito, eles desenvolveram um modelo físico-quântico para o interferômetro atômico, quais fatores na interação entre lasers e átomos, bem como o movimento dos átomos - enquanto também leva em conta as correções relativísticas. “Com a ajuda deste modelo, podemos descrever um relógio atômico em "tique-taque" que se move simultaneamente ao longo de dois caminhos em uma superposição espacial. Além disso, demonstramos que um interferômetro atômico, como o que está sendo construído em Hannover, pode medir o efeito da dilatação do tempo relativístico especial em um relógio atômico, "recapitula Alexander Friedrich, um pesquisador de doutorado no Instituto de Física Quântica em Ulm. Com base em suas considerações teóricas, os pesquisadores já podem fazer a suposição de que um único relógio atômico se comporta como previsto no paradoxo dos gêmeos:a teoria da relatividade e a mecânica quântica são, portanto, de fato reconciliáveis ​​neste cenário. A influência da gravidade assumida por outros grupos, Contudo, não parece verificável em uma proposta experimental desse tipo.

O experimento teoricamente descrito deve ser posto à prova no novo interferômetro atômico em Hannover em alguns anos. Na prática, as descobertas dos cientistas podem ajudar a melhorar as aplicações baseadas em interferômetros atômicos, como navegação, ou medições de aceleração e rotação.