Esta semana descobri um número difícil de visualizar: 9,7 picokelvin, ou 9,7 trilionésimos de grau acima do zero absoluto. É a menor temperatura do universo já registrada por humanos, alcançada dentro de um experimento a bordo da estação espacial chinesa Tiangong e descrita em um artigo publicado na revista Science em 6 de novembro, segundo reportagem do Olhar Digital. O resultado supera o recorde anterior por um fator de quase quatro vezes e reforça a vantagem da microgravidade para esse tipo de pesquisa.

Uma nuvem de átomos quase parada

O experimento foi conduzido por uma equipe ligada à Universidade de Pequim, usando o módulo Mengtian da Tiangong. Os pesquisadores trabalharam com cerca de 20 mil átomos de rubídio aprisionados em uma armadilha óptica formada por feixes de laser focalizados. A combinação de resfriamento a laser, resfriamento evaporativo e uma etapa de expansão não adiabática reduziu a energia da nuvem até um ponto em que ela se comporta como um condensado de Bose-Einstein, um estado da matéria em que milhares de átomos passam a agir como uma única entidade quântica.

O valor de 9,7 picokelvin não descreve a temperatura da estação ou dos equipamentos ao redor. Ele vem da velocidade com que a nuvem de átomos se expande depois de ser liberada da armadilha, e os autores tratam esse número como uma temperatura equivalente, calculada a partir dessa expansão medida em três eixos. Ainda assim, o resultado é concreto: o recorde anterior, obtido em uma torre de queda livre na Terra, havia chegado a 38 picokelvin, e o Cold Atom Lab da Nasa, instalado na Estação Espacial Internacional, havia registrado 52 picokelvin.

Por que o espaço faz diferença

Na Terra, a gravidade empurra qualquer nuvem de átomos para baixo, o que obriga os cientistas a usar armadilhas mais fortes e observar o experimento por janelas de tempo curtíssimas, da ordem de segundos em torres de queda livre especialmente construídas para simular a ausência de peso. Na órbita da Tiangong, sem esse puxão constante, a equipe chinesa conseguiu afrouxar o confinamento de forma gradual e acompanhar a expansão da nuvem por 7 segundos, um intervalo bem maior do que os 2 segundos obtidos em quedas livres terrestres e o 1 segundo alcançado pelo experimento da Nasa na estação americana.

Essa diferença de tempo é relevante porque quanto mais longa a observação, mais preciso é o cálculo da temperatura equivalente e mais estável se torna o condensado para os testes que vêm a seguir. A escolha de uma armadilha óptica, em vez da levitação magnética usada em outros experimentos, também deu à equipe mais liberdade para trabalhar com átomos em diferentes estados de spin, sem depender de um único estado magnético para manter a nuvem suspensa.

Aplicações que ainda estão por vir

Os próprios autores do estudo apontam um possível uso direto: a construção de um interferômetro atômico espacial, instrumento que usa as propriedades ondulatórias dos átomos ultrafrios para medições de altíssima precisão. Entre as aplicações citadas estão o mapeamento do campo gravitacional da Terra e testes do princípio da equivalência, a ideia central da relatividade geral segundo a qual objetos de massas diferentes caem com a mesma aceleração em um campo gravitacional. Os pesquisadores também mencionam simulações quânticas e a possibilidade de recriar estados exóticos da matéria em condições que simplesmente não existem em laboratórios terrestres.

Nada disso está pronto para uso imediato. O próprio estudo reconhece que essas aplicações dependem de novos experimentos e do desenvolvimento de instrumentos específicos, incluindo armadilhas de volume ajustável capazes de conter um número maior de átomos do que os 20 mil usados neste primeiro teste. Mesmo assim, o salto de 38 para 9,7 picokelvin em poucos anos de pesquisa com átomos ultrafrios no espaço mostra que esse campo ainda tem espaço para avançar rapidamente.

Um recorde que depende de contexto

O zero absoluto, fixado em -273,15 graus Celsius, é um limite teórico que nenhum sistema físico pode alcançar de fato. O que os físicos medem, nesses experimentos, é o quão perto conseguem chegar dele, e cada fração de grau ganhada exige um salto técnico considerável. A China já havia investido nesse tipo de pesquisa orbital com missões anteriores da Tiangong, e esse resultado mostra que o programa espacial do país está disposto a competir diretamente com a Nasa em física fundamental, não apenas em exploração ou em infraestrutura orbital.

Para quem acompanha como eu as notícias sobre física de partículas e astrofísica, como no caso do estudo recente sobre o fim do sistema solar, esse experimento chinês é um lembrete de como boa parte da física feita hoje nas fronteiras do conhecimento depende de condições extremas, sejam elas de temperatura, de tempo ou de ausência de gravidade, para revelar fenômenos que passam despercebidos em condições comuns.

Perguntas frequentes

O que é um picokelvin?

Picokelvin é uma unidade de temperatura igual a um trilionésimo de kelvin. Como a escala Kelvin começa no zero absoluto, um valor de 9,7 picokelvin significa que a nuvem de átomos estudada está a apenas 9,7 trilionésimos de grau acima desse limite teórico.

Esse experimento cria frio real dentro da estação espacial?

Não no sentido comum da palavra. A temperatura medida se refere apenas à nuvem isolada de átomos de rubídio dentro da armadilha óptica, calculada pela velocidade de expansão dela após ser liberada. O restante da estação e dos equipamentos segue em temperaturas normais de operação.

Por que fazer esse experimento no espaço em vez da Terra?

A ausência de gravidade permite usar armadilhas mais fracas e observar a nuvem de átomos por um tempo muito maior, cerca de 7 segundos contra 1 ou 2 segundos nos melhores experimentos terrestres. Esse tempo extra melhora a precisão das medições e abre caminho para instrumentos como interferômetros atômicos espaciais.