os Físicos NOS eua e Alemanha têm utilizado dois fundamentais princípios da mecânica quântica para executar um de alta precisão, teste de Einstein da teoria da relatividade geral., Os pesquisadores exploraram a dualidade de onda-partícula e superposição dentro de um interferômetro atômico para provar que um efeito conhecido como redshift gravitacional – a desaceleração do tempo perto de um corpo massivo – se mantém fiel a uma precisão de sete partes em um bilhão. O resultado é importante na busca por uma teoria da gravidade quântica e pode ter implicações práticas significativas, tais como melhorar a precisão dos sistemas de Posicionamento global.
redshift gravitacional segue o princípio da equivalência subjacente à relatividade geral., O princípio da equivalência estabelece que os efeitos locais da gravidade são os mesmos que os de estar num quadro de referência acelerado. Assim, a força descendente sentida por alguém em um elevador pode ser igualmente devido a uma aceleração ascendente do elevador ou à gravidade. Pulsos de luz enviados para cima a partir de um relógio no piso de elevação será Doppler deslocado, ou redshifted, quando o elevador está acelerando para cima, o que significa que este relógio vai parecer assinalar mais lentamente quando seus flashes são comparados no teto do elevador a outro relógio., Porque não há maneira de distinguir a gravidade e a aceleração, o mesmo se manterá verdadeiro num campo gravitacional; em outras palavras, quanto maior for a força gravitacional experimentada por um relógio, ou quanto mais perto estiver de um corpo massivo, mais lentamente se moverá.
A confirmação deste efeito suporta a ideia de que a gravidade é uma manifestação da curvatura espaço–tempo porque o fluxo do tempo não é mais constante em todo o universo, mas varia de acordo com a distribuição de corpos massivos., Reforçar a ideia da curvatura espaço–tempo é importante quando se distingue entre as diferentes teorias da gravidade quântica porque existem algumas versões da teoria das cordas em que a matéria pode responder a algo diferente da geometria do espaço–tempo.,
Universalidade da queda livre
redshift Gravitacional, no entanto, como uma manifestação de posição local invariância (a idéia de que o resultado de qualquer não-gravitacional experiência é independente de onde e quando o universo é realizado) é o menos bem confirmado um dos três tipos de experiência que suporte o princípio da equivalência. The other two, The universality of freefall and local Lorentz invariance, have been verified with precisions of 10-13 or better, whereas gravitational redshift had previously been confirmed only to a precision of 7 × 10-5., Isto foi conseguido em 1976, registrando a diferença no tempo decorrido, medida por dois relógios atômicos – um na superfície da terra e o outro enviado até uma altitude de 10.000 km em um foguete. este tipo de medição do desvio para o vermelho é limitado pelo grau de atração gravitacional fornecido pela massa da Terra., A nova pesquisa, realizada por Holger Müller, da Universidade da Califórnia em Berkeley, Achim Peters, da Universidade Humboldt, em Berlim, e Steven Chu, anteriormente, em Berkeley, mas agora o secretário de energia, é limitado, da mesma forma, mas consegue aumentar a precisão graças à uma ultrafinas relógio fornecida pela mecânica quântica., em 1997, Peters usou técnicas de armadilhagem a laser desenvolvidas pela Chu para capturar átomos de césio e resfriá-los a poucos milionésimos de um grau acima do zero absoluto (a fim de reduzir a sua velocidade tanto quanto possível), e então usou um raio laser vertical para dar um pontapé ascendente aos átomos, a fim de medir a queda livre gravitacional. Chu e Müller re-interpretaram os resultados dessa experiência para dar uma medição do desvio gravitacional para o vermelho. no experimento, cada um dos átomos foi exposto a três pulsos laser., O primeiro pulso colocou o átomo em uma superposição de dois estados igualmente prováveis-ou deixando – o sozinho para desacelerar e, em seguida, cair de volta para a Terra Sob a força da gravidade ou dando-lhe um chute extra para que ele atingisse 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 rápido em direção à terra, fazendo com que os dois estados de superposição se encontrassem no caminho para baixo., Neste ponto, o terceiro pulso mediu a interferência entre estes dois estados provocada pela existência do átomo como uma onda, sendo que qualquer diferença no desvio gravitacional como experimentado pelos dois estados existentes em alturas de diferença acima da superfície da Terra seria manifesta como uma mudança na fase relativa dos dois estados. a virtude desta abordagem é a frequência extremamente alta da onda de Broglie de um átomo de césio – cerca de 3 × 1025 Hz. Embora durante o 0.,3 s de queda livre o assunto ondas na maior trajetória experimentado um tempo decorrido de apenas 2 × 10-20 s mais do que as ondas sobre a trajetória descendente fez, a enorme freqüência de oscilação, combinado com a capacidade de medir a amplitude de diferenças de apenas uma parte em 1000, fez com que os investigadores foram capazes de confirmar redshift gravitacional para uma precisão de 7 × 10-9., “se o tempo de queda livre fosse estendido até 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 de 60 ps, o tempo que leva para a luz viajar cerca de um centímetro.”
Esta precisão extrema pode tornar-se útil à medida que os sistemas de posicionamento global se tornam cada vez mais precisos., Como Müller aponta, para determinar a posição de um objeto no chão para milimétrica precisão os relógios atômicos satélites GPS seria necessário para operar com uma precisão de 10 a 17, uma figura de fato alcançado recentemente por um relógio desenvolvido no Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia dos EUA (consulte “Nova óptica relógio quebras de precisão de registro”). Mas na altitude dos satélites de 20.000 km, esses relógios irão experimentar uma aceleração do tempo de cerca de uma parte em 1010 graças ao desvio gravitacional para o vermelho., Recuperar a precisão de 10-17 exigiria, portanto, conhecer o efeito redshift a uma precisão de 10-7. Müller espera melhorar ainda mais a precisão das medições do desvio vermelho aumentando a distância entre os dois estados de superposição dos átomos de césio. A distância obtida no estudo foi de apenas 0,1 mm, mas, ele diz, aumentando para 1 m, deve ser possível detectar ondas gravitacionais, minúsculo ondulações no tecido do espaço–tempo previsto pela relatividade geral, mas nunca antes observados. o trabalho é descrito na natureza 463 926.,