Se considera como un gran logro científico para la medición del tiempo
Un grupo de físicos ha conseguido medir la dilatación del tiempo, o cómo el tictac de un reloj atómico varía según la elevación en escala milimétrica, dentro de una nube de átomos de estroncio.
Se trata de la demostración de la teoría de la relatividad general de Albert Einstein, o más específicamente, el efecto llamado dilatación del tiempo, en la escala más pequeña jamás vista: un solo milímetro.
El experimento, descrito en la edición del 17 de febrero de Nature, sugiere cómo hacer que los relojes atómicos sean 50 veces más precisos que los mejores diseños actuales y ofrecen una ruta para quizás revelar cómo la relatividad y la gravedad interactúan con la mecánica cuántica, un gran dilema en la física.
La investigación se desarrolló en JILA, operado conjuntamente por el NIST (National Institute of Standards and Technology) y la Universidad de Colorado Boulder.
«El resultado más importante y emocionante es que podemos conectar potencialmente la física cuántica con la gravedad, por ejemplo, probando la física compleja cuando las partículas se distribuyen en diferentes lugares en el espacio-tiempo curvo», dijo en un comunicado Jun Ye, miembro del NIST/JILA. «Para el cronometraje, también muestra que no hay obstáculos para hacer que los relojes sean 50 veces más precisos que los actuales, lo cual es una noticia fantástica».
La teoría de la relatividad general de Einstein de 1915 explica los efectos a gran escala, como el efecto gravitacional en el tiempo, y tiene importantes aplicaciones prácticas, como la corrección de las mediciones de los satélites GPS. Aunque la teoría tiene más de un siglo, los físicos siguen fascinados por ella. Los científicos del NIST han utilizado relojes atómicos como sensores para medir la relatividad con mayor precisión, lo que finalmente puede ayudar a explicar cómo interactúan sus efectos con la mecánica cuántica, el libro de reglas del mundo subatómico.
De acuerdo con la relatividad general, los relojes atómicos a diferentes alturas en un campo gravitatorio funcionan a diferentes velocidades. La frecuencia de la radiación de los átomos se reduce, se desplaza 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 ha demostrado repetidamente; por ejemplo, los físicos del NIST lo midieron en 2010 comparando dos relojes atómicos independientes, uno colocado 33 centímetros por encima del otro.
Los investigadores de JILA ahora han medido los cambios de frecuencia entre la parte superior e inferior de una sola muestra de aproximadamente 100.000 átomos de estroncio ultrafríos cargados en una red óptica, una configuración de laboratorio similar a los relojes atómicos anteriores del grupo. En este nuevo caso, la red, que se puede visualizar como una pila de capas creadas por rayos láser, tiene capas inusualmente grandes, planas y delgadas, y están formadas por una luz menos intensa que la que se usa normalmente.
Este diseño reduce las distorsiones en la red causadas normalmente por la dispersión de la luz y los átomos, homogeneiza la muestra 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 oscilaron entre dos niveles de energía al unísono durante 37 segundos, un récord de lo que se llama coherencia cuántica.
Crucial para los nuevos resultados fue la innovación de imágenes del grupo Ye, que proporcionó un mapa microscópico de distribuciones de frecuencia en la muestra, y su método de comparar dos regiones de una nube de átomos en lugar del enfoque tradicional de usar dos relojes separados.
El corrimiento al rojo medido a través de la nube de átomos fue pequeño, en el ámbito de 0.0000000000000000001, consistente con las predicciones. (Si bien es demasiado pequeño para que los humanos lo perciban directamente, las diferencias se suman a los efectos importantes en el universo y en 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 relojes anterior.
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 la misteriosa materia oscura, que se cree que constituye la mayor parte de la materia del universo. Los relojes atómicos también están preparados para mejorar los modelos y la comprensión de la forma de la Tierra mediante la aplicación de una ciencia de medición llamada geodesia relativista.