Teste da relatividade na Torre de Tóquio ajuda prever vulcões e terremotos

Redação do Site Inovação Tecnológica - 28/04/2020

Um relógio atômico portátil ficou no solo, enquanto o outro ficou na torre de observação, a 450 metros de altitude.
[Imagem: Masao Takamoto et al. - 10.1038/s41566-020-0619-8]

Relógios atômicos

Apenas para começo de conversa, Masao Takamoto e seus colegas do Instituto Riken, no Japão, afirmam que testar a teoria da relatividade de Einstein não estava em sua lista de prioridades.

Mas, apenas antes de fechar o parênteses, eles conseguiram uma confirmação da previsão de que o tempo passa mais rápido quanto mais alto estivermos em relação a um corpo massivo como a Terra com a mesma precisão - 30 partes por milhão - que a obtida por satélites artificiais enormes e caros.

A diferença é que eles usaram relógios atômicos portáteis - este sim, o verdadeiro objetivo da equipe.

Os relógios atômicos não serviram apenas para aprimorar nossa capacidade de medir o tempo: eles melhoraram as telecomunicações, viabilizaram as tecnologias de posicionamento global, servem a um sem-número de experimentos científicos de alta precisão e ainda ajudam a redefinir o tempo.

O problema é que eles são grandes e altamente sensíveis, o que tem impedido um outro sem-número de aplicações.

Relógios atômicos portáteis

A missão a que Takamoto se propôs foi miniaturizar os relógios atômicos, passando de equipamentos do tamanho de laboratórios inteiros para dispositivos transportáveis. E não é só miniaturização: Para que os novos relógios atômicos sejam úteis e funcionem onde se desejar que eles funcionem, é necessário torná-los insensíveis a ruídos ambientais, como mudanças de temperatura, vibrações e campos eletromagnéticos.

O feito de engenharia foi notável: Cada relógio atômico construído pela equipe agora cabe em uma caixa magneticamente blindada com cerca de 60 centímetros de cada lado. Os vários dispositivos a laser e controladores eletrônicos necessários para capturar e interrogar os átomos que fazem o tique-taque dos relógios foram alojados em duas caixas industriais padronizadas, montáveis em racks.

A equipe então levou dois protótipos para a Torre de Tóquio para verificar se eles poderiam ser úteis para medir a gravidade. Pela teoria da relatividade, o tempo passa mais lentamente quanto mais alto um objeto estiver; como os relógios atômicos são estonteantemente precisos, se você elevá-los só um pouquinho e medir a diferença no tempo entre os dois, então poderá determinar a diferença de altura entre eles.

Foi isso o que a equipe demonstrou: eles conseguiram medir uma diferença de altura de apenas 1 centímetro.

Os dois conjuntos de equipamentos- os relógios atômicos propriamente ditos são as duas caixas pretas.
[Imagem: Riken/Hidetoshi Katori Lab]

Monitorar vulcões e terremotos

O resultado, é claro, é mais uma demonstração das previsões feitas por Einstein, mas o que a equipe realmente pretende fazer é medir minúsculas variações de altitude na crosta terrestre, para monitorar eventos geológicos e sísmicos que são particularmente importantes no Japão, mas também em várias outras partes do mundo.

"Os relógios [portáteis] podem distinguir pequenas diferenças de altitude, permitindo medir o inchaço do solo em locais como vulcões ativos ou deformação da crosta, ou definir a referência para a altitude. Queríamos demonstrar que podemos realizar essas medições precisas em qualquer lugar fora do laboratório, com dispositivos transportáveis. Este é o primeiro passo para transformar relógios ultraprecisos em dispositivos do mundo real," disse o professor Hidetoshi Katori, da Universidade de Tóquio.

No futuro, o grupo planeja comparar relógios atômicos portáteis instalados centenas de quilômetros de distância uns dos outros, para monitorar a elevação e a depressão do solo a longo prazo, detectando os menores deslocamentos das placas tectônicas e, eventualmente, ajudando a prever terremotos.

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Bibliografia:

Artigo: Test of general relativity by a pair of transportable optical lattice clocks
Autores: Masao Takamoto, Ichiro Ushijima, Noriaki Ohmae, Toshihiro Yahagi, Kensuke Kokado, Hisaaki Shinkai, Hidetoshi Katori
Revista: Nature Photonics
DOI: 10.1038/s41566-020-0619-8