Relógios, gravidade e os limites da relatividade

Esta imagem do laboratório espacial da Europa em Columbus foi tirada pelo astronauta da ESA, Luca Parmitano, durante sua caminhada no espaço em 9 de julho de 2013. Imagem via ESA / NASA.

Via ESA

A Estação Espacial Internacional abrigará os relógios mais precisos de todos os tempos para deixar a Terra. Com precisão de um segundo em 300 milhões de anos, os relógios pressionarão a medição do tempo para testar os limites da teoria da relatividade e nossa compreensão da gravidade.

A teoria geral da relatividade de Albert Einstein previu que a gravidade e a velocidade influenciam o tempo; quanto mais rápido você viaja, mais o tempo diminui, mas também quanto mais a gravidade puxa você, mais o tempo diminui.

Foto negativa do eclipse solar de 1919. Imagem via Royal Astronomical Society.

Em 29 de maio de 1919, a teoria de Einstein foi posta à prova quando Arthur Eddington observou a luz dobrar-se ao redor do sol durante um eclipse solar. Quarenta anos depois, o experimento Pound-Rebka mediu primeiro o efeito do desvio para o vermelho induzido pela gravidade em um laboratório, mas um século depois os cientistas ainda estavam procurando os limites da teoria.

Luigi Cacciapuoti, cientista do projeto Atomic Clock Ensemble in Space (ACES) da ESA, explicou:

A teoria da relatividade descreve nosso universo em larga escala, mas na fronteira com a escala infinitesimalmente pequena, a teoria não concorda e permanece inconsistente com a mecânica quântica. Hoje, as tentativas de unificar a relatividade geral e a mecânica quântica preveem violações do princípio da equivalência de Einstein.

O princípio de Einstein detalha como a gravidade interfere no tempo e no espaço. Uma de suas manifestações mais interessantes é a dilatação do tempo devido à gravidade. Esse efeito foi comprovado pela comparação de relógios em diferentes altitudes, como montanhas, vales e espaço. Relógios em altitudes mais altas mostram que o tempo passa mais rápido em relação a um relógio na superfície da Terra, pois há menos gravidade da Terra quanto mais longe você está do nosso planeta.

Voando a 400 km de altitude na Estação Espacial, o Atomic Clock Ensemble in Space fará medições mais precisas do que nunca.

Relógio ACES. Imagem via CNES.

Internet de relógios

O ACES criará uma “internet de relógios”, conectando os relógios atômicos mais precisos do mundo e comparando sua cronometragem com os do laboratório sem peso da humanidade, enquanto voa sobre eles.

Comparar o tempo com uma estabilidade de centenas de femtossegundos - um milionésimo de bilionésimo de segundo - requer técnicas que ultrapassem os limites da tecnologia atual. O ACES possui duas maneiras para os relógios transmitirem seus dados, um link de microondas e um link óptico. Ambas as conexões trocam sinais de tempo bidirecional entre as estações terrestres e o terminal espacial, quando o sinal de tempo se dirige para cima e para a Estação Espacial e quando retorna à Terra.

A precisão sem precedentes que essa configuração oferece traz alguns bônus interessantes para o experimento ACES. Os relógios no solo serão comparados entre si, fornecendo medições locais das diferenças geopotenciais, ajudando os cientistas a estudar nosso planeta e sua gravidade.

As frequências dos links de laser e microondas ajudarão a entender como a luz e as ondas de rádio se propagam através da troposfera e da ionosfera, fornecendo informações sobre o clima. Finalmente, a Internet dos relógios permitirá que os cientistas distribuam tempo e sincronizem seus relógios em todo o mundo para experimentos em larga escala baseados na Terra e para outras aplicações que exijam tempo preciso.

Módulo Columbus com ACES. Imagem via ESA – D. Ducros.

Luigi disse:

A próxima geração de relógios atômicos e as técnicas de link que estamos desenvolvendo poderiam um dia ser usadas para observar as próprias ondas gravitacionais como a missão LISA proposta pela ESA, mas agora o ACES nos ajudará a testar da melhor maneira possível a teoria da relatividade geral de Einstein, procurando por pequenas violações que, se encontradas, podem abrir uma janela para uma nova teoria da física que deve surgir.

Os relógios foram testados e integrados na carga útil do ACES e o link de microondas do ACES está passando por testes antes da integração final com o experimento completo. O ACES estará pronto para o lançamento na Estação Espacial até 2020.

Conclusão: a teoria da gravidade de Einstein foi posta à prova quando Arthur Eddington observou a luz "dobrar" ao redor do sol durante um eclipse solar. Um século depois, os cientistas ainda estão buscando os limites da teoria.