Por Troy Oakes
Los físicos del JILA (Joint Institute for Laboratory Astrophysics) midieron la teoría de la relatividad general de Albert Einstein, o más específicamente, el efecto llamado dilatación del tiempo, a la escala más pequeña de la historia, mostrando que dos pequeños relojes atómicos, separados por solo un milímetro o el ancho de una punta de lápiz afilada, marcan a diferentes velocidades.
Los experimentos, descritos en la edición del pasado 17 de febrero de Nature, sugieren cómo hacer para que los relojes atómicos sean 50 veces más precisos que los mejores diseños de hoy y ofrecen una ruta para tal vez revelar cómo la relatividad y la gravedad interactúan con la mecánica cuántica, un dilema importante en física.
JILA es operado conjuntamente por el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) y la Universidad de Colorado Boulder, NIST / JILA Fellow.
Jun Ye dijo:
«El resultado más importante y emocionante es que potencialmente podemos conectar la física cuántica con la gravedad, por ejemplo, sondeando la física compleja cuando las partículas se distribuyen en diferentes lugares en el espacio-tiempo curvo.
Para el cronometraje, también muestra que no hay ningún obstáculo para hacer que los relojes sean 50 veces más precisos que hoy, lo cual es una noticia fantástica».
Teoría de la relatividad general de Einstein
La teoría de la relatividad general de Einstein de 1915 explica los efectos a gran escala, de como el efecto gravitacional sobre el tiempo, tiene importantes aplicaciones prácticas, como la corrección de las mediciones de satélites GPS.
Aunque la teoría tiene más de un siglo de antigüedad, los físicos siguen fascinados por ella. Los científicos del NIST han utilizado relojes atómicos como sensores para medir la relatividad cada vez con más precisión, lo que puede ayudar a explicar finalmente cómo sus efectos interactúan con la mecánica cuántica (el libro de reglas para el mundo subatómico).
De acuerdo con la teoría de la relatividad general, los relojes atómicos a diferentes elevaciones en un campo gravitatorio marcan a diferentes velocidades. La frecuencia de la radiación de los átomos se reduce, desplazada hacia el extremo rojo del espectro electromagnético, cuando se observa en una gravedad más fuerte, más cerca de la Tierra.
Es decir, un reloj avanza más lentamente en elevaciones más bajas.
Este efecto se demostró repetidamente; por ejemplo, los físicos del NIST lo midieron en 2010 comparando dos relojes atómicos independientes, uno colocado a 33 centímetros (aproximadamente 1 pie) por encima del otro.
Los investigadores de JILA ahora midieron los cambios de frecuencia entre la parte superior e inferior de una sola muestra de aproximadamente 100,000 átomos de estroncio ultrafrío cargados en una red óptica, una configuración de laboratorio similar a los relojes atómicos anteriores del grupo.
En este nuevo caso, la celosía, que se puede visualizar como una pila de panqueques creados por rayos láser, tiene pasteles inusualmente grandes, planos y delgados, y están formados por una luz menos intensa de lo que se usa normalmente.
Cabe recordar, que hace más de 100 años, la teoría de la relatividad general de Albert Einstein propuso que la gravedad de objetos grandes como la Tierra distorsionan el flujo del tiempo.
El reloj más nuevo del NIST encuentra que la teoría de Einstein funciona en una escala milimétrica, reduciendo la brecha entre la física cuántica y nuestra comprensión más amplia de nuestro mundo y el universo.
Este diseño reduce las distorsiones en la red normalmente causadas por la dispersión de la luz y extiende las ondas de materia de los átomos, cuyas formas indican la probabilidad de encontrar los átomos en ciertos lugares.
Los estados de energía de los átomos están tan bien controlados que todos marcaron entre dos niveles de energía al unísono exacto durante 37 segundos, un récord de lo que se llama coherencia cuántica.
Algo crucial para los nuevos resultados fueron la innovación de imágenes del grupo Ye, que proporcionó un mapa microscópico de las distribuciones de frecuencia en toda la muestra, y su método de comparar dos regiones de una nube atómica en lugar del enfoque tradicional de usar dos relojes separados.
El corrimiento al rojo medido a través de la nube atómica fue pequeño, en el reino de 0.00000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000 (Si bien es demasiado pequeño para que los humanos lo perciban directamente, las diferencias se suman a los principales efectos en el universo, así como en la tecnología como el GPS).
El equipo de investigación resolvió esta diferencia rápidamente para este tipo de experimento, en aproximadamente 30 minutos de promedio de datos. Después de 90 horas de datos, su precisión de medición fue 50 veces mejor que en cualquier comparación de reloj anterior.
Ye dice:
«Este es un juego de pelota completamente nuevo, un nuevo régimen donde se puede explorar la mecánica cuántica en el espacio-tiempo curvo.
Si pudiéramos medir el corrimiento al rojo 10 veces mejor que esto, podremos ver las ondas de materia completa de los átomos a través de la curvatura del espacio-tiempo.
Ser capaz de medir la diferencia de tiempo en una escala tan diminuta podría permitirnos descubrir, por ejemplo, que la gravedad interrumpe la coherencia cuántica, lo que podría estar en la parte inferior de por qué nuestro mundo a macroescala es clásico».
Los mejores relojes tienen muchas aplicaciones posibles más allá del cronometraje y la navegación. Ye sugiere que los relojes atómicos pueden servir como microscopios para ver vínculos minúsculos entre la mecánica cuántica y la gravedad y como telescopios para observar los rincones más profundos del universo.
Está usando relojes para buscar misteriosa materia oscura, que se cree que constituye la mayor parte de la materia en el universo. Los relojes atómicos también están preparados para mejorar los modelos y la comprensión de la forma de la Tierra a través de una aplicación de la una ciencia de medición llamada geodesia relativista.
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