A Teoria da Relatividade passou pelo seu mais rigoroso teste até o momento

Nas últimas décadas, diversos fenômenos, astronômicos e terrestres, vêm confirmando as predições da Teoria da Relatividade (Especial e Geral) com cada vem mais precisão, e o nosso próprio sistema de GPS só funciona levando em conta efeitos relativísticos derivados dessa teoria (1). No entanto a Relatividade Geral - a teoria geométrica da gravitação -, primeiro publicada em 1915 pelo Físico Albert Einstein, enfrenta um grave problema: não é compatível com a Teoria Quântica. Enquanto a Relatividade Geral explica muito bem o fenômeno gravitacional, a Quântica explica bem quase tudo menos a gravidade, com ambas, portanto, se complementando mas não conversando de forma amigável. Nesse sentido, os cientistas estão sempre procurando por falhas na Teoria da Relatividade que possam explicar essa inimizade - e favorecer uma Teoria Quântica da Gravidade - ou mesmo que possam dar suporte para outras hipóteses Físicas mais abrangentes, como a Teoria das Cordas (3).

• (1) Para entender melhor o assunto, acesse: Qual é a relação entre o GPS e a Teoria da Relatividade?

• (2) Leitura recomendada: O que é a Teoria da Relatividade Geral e Especial?

• (3) A Teoria das Cordas é uma teoria apenas matemática, não Física. Para saber mais, acesse: O que é a Teoria das Cordas?

Porém, até o momento, a Teoria da Relatividade continua infalível após décadas de vários experimentos, incluindo a Relatividade Geral. E, um novo estudo publicado na Nature (4) trouxe o teste mais preciso até o momento analisando a simetria de Lorentz que mais uma vez corroborou a robustez da teoria relativística.

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A gravidade surge, segundo a teoria relativística, quando o espaço-tempo é distorcido pela presença de um corpo com massa. Nesse sentido, a Relatividade Geral fornece uma descrição geométrica da interação gravitacional. Sua base é constituída de dois princípios fundamentais: (i) o princípio da equivalência de Einstein (EEP) e (ii) as equações de campo de de Einstein que podem ser derivadas da ação Einstein-Hilbert. De um ponto de vista fenomenológico, três aspectos da EEP podem ser testados: (i) a universalidade da queda livre (UFF), (ii) a invariância local de Lorentz (LLI), e (iii) a invariância local de posição (LPI).

O princípio da Relatividade requer que todas as descrições da natureza sejam covariantes sob as transformações de Lorentz, ou seja, as leis da Física precisam ser as mesmas quando se transformam de um ponto de referência para outro. Consequentemente, o resultado de qualquer experimento deve ser independente da velocidade e orientação do quadro inercial no qual está sendo realizado. Experimentos nas últimas décadas usando relógios atômicos não conseguiram encontrar violações nessa condição de simetria.

No novo estudo, os pesquisadores utilizaram relógios ópticos - relógios atômicos de alta frequência de oscilação (~10^15 Hz) e ultra-precisos baseados em transições ópticas - para tentarem detectar violações na simetria de Lorentz, comparando de forma mais acurada possível as frequências nesses relógios. Eles demonstraram experimentalmente corroboração entre dois relógios ópticos de íon único ao nível de 10^(-18) - casa decimal de erro -, validando diretamente as incertezas associadas, ao longo de um período de 6 meses de comparação. Os íons de itérbio (elemento químico metálico da série dos lantanídeos) dos dois relógios usados estavam confinados em armadilhas de íons separadas com eixos de quantização alinhados ao longo de direções não-paralelas, e ambos localizados no mesmo laboratório.

Violações hipotéticas da simetria de Lorentz levariam a modulações periódicas da compensação de frequências à medida que a Terra rotacionasse e orbitasse ao redor do Sol. Como os pesquisadores não encontraram tais modulações mesmo a um nível de 10^(-19), eles deduziram estritos limites na ordem de 10^(-21) nos parâmetros de violação de simetria de Lorentz para elétrons, melhorando limites prévios alcançados por outros estudos em duas ordens de magnitude.

Segundo os autores do novo estudo, níveis de precisão como esse alcançado serão essenciais para testes de baixa energia de futuras teorias quânticas da gravidade descrevendo dinâmicas na escala de Planck, as quais são esperadas de prever a magnitude de violações simétricas residuais.


(4) Publicação do estudo: Nature