O tempo não é mais apenas areia em uma ampulheta. Precisamos de algo melhor.
O século XVII nos deu o relógio de pêndulo, o balanço do pêndulo que governou a precisão durante séculos. Matteo Brunelli, do Collège de France, e sua equipe analisaram este design clássico. Então eles fizeram uma pergunta complicada. Poderá sobreviver à mecânica quântica?
Acontece que pode. Mas não se parece em nada com a antiguidade do seu corredor.
O tick de três partes
Todo relógio de pêndulo tem três entranhas.
Primeiro, o pêndulo. Ele oscila para a esquerda e para a direita, definindo o tick.
Em segundo lugar, os pesos. Eles caem usando a gravidade, dando energia ao pêndulo para continuar.
Terceiro, a fuga. Este é o sistema nervoso. Ele converte a oscilação do pêndulo na marcha dos ponteiros do relógio. Isso dá um pequeno impulso ao pêndulo. Sem ele, o atrito mata o movimento. O escape garante que cada balanço tenha o mesmo tamanho.
A equipe de Brunelli não imaginou apenas uma versão quântica. Eles construíram um modelo matemático para isso.
Aqui está o projeto:
Uma cavidade. Dois espelhos um de frente para o outro. Um fixo, o outro oscilante.
Um átomo fica entre eles. Este átomo tem três níveis de energia. As flutuações de temperatura na sala fazem o átomo saltar entre esses estados. Quando salta, pode cuspir um fóton. Esse fóton salta entre os espelhos. Esta leve pressão empurra um espelho. Vai e volta. Vai e volta.
Isso imita a queda do peso.
Mas e o escape? É aí que fica estranho.
O próprio átomo é o escape. Ele se move repetidamente através de seus estados de energia. Este ciclo força uma sequência de ticks e toks. Brunelli afirma que este é o menor mecanismo de escape fisicamente possível. A matemática deles sugere que, se você ajustar o sistema corretamente, esse dispositivo quântico entrará em um ritmo estável. Confiável. Preciso. Exatamente como o latão e a madeira deveriam ser.
Quebrando os Limites
Este não é apenas um truque teórico de salão. O novo relógio quebra uma regra conhecida.
Os relógios autônomos anteriores tiveram dificuldades. Eles eram menos precisos porque suas oscilações não eram perfeitamente uniformes. Eles dependiam de controles externos como lasers. O design de Brunelli é autônomo. Ele opera como um motor termodinâmico autônomo. Não são necessários lasers para mantê-lo estável.
Mais importante ainda, quebrou a relação de incerteza termodinâmica. Este é um limite rígido para a precisão de um relógio em relação à entropia que ele gera. A precisão geralmente requer irreversibilidade – esforço para retroceder. O novo relógio quântico consegue ser incrivelmente preciso, respeitando esta lei física. Ele maximiza a irreversibilidade para uma cronometragem ideal.
Por que é importante
Então, por que construir um relógio feito de espelhos e átomos individuais?
Sreenath Manikandan, do Instituto Tata de Pesquisa Fundamental, acha que isso é uma grande notícia. Ele argumenta que os relógios autônomos são a forma mais pura de cronometragem. Eles não pegam emprestada a precisão de outro dispositivo. Eles criam isso.
De que outra forma entenderemos a estrutura do tempo se não podemos construí-la do zero?
Compreender esses mecanismos ajuda a investigar a física em seus limites. Especificamente, a gravidade no reino quântico. Se conseguirmos aperfeiçoar este relógio, poderemos ver como a gravidade interage com os objetos quânticos. É desejável uma compreensão profunda de como funciona um relógio. Este trabalho fornece um grande progresso em direção a esse objetivo.
O caminho a seguir
As peças estão principalmente aqui. Pequenas cavidades e fótons? Tarifa comum de laboratório.
Mas colocá-los juntos em um mecanismo de escape funcional? Isso é difícil. A novidade torna-o tecnicamente desafiador. Requer uma precisão que não existe no mercado.
Brunelli está cautelosamente otimista. Não é irracional construir. Mas vai dar trabalho. Nós temos o projeto. Nós temos a teoria.
Agora só temos que pegar os carrapatos.
