Miden la famosa Teoría de la Relatividad a la escala más pequeña jamás vista

Científicos de Estados Unidos lograron medir la famosa Teoría de la Relatividad a la escala más pequeña jamás vista, usando un instrumento prodigioso.

Dos diminutos relojes atómicos separados por menos de un milímetro han conseguido medir, a la escala más pequeña nunca vista, la dilatación del tiempo, por la que ambos funcionan a ritmos diferentes, unos de los aspectos de la Teoría de la relatividad de Albert Einstein. La investigación sugiere cómo hacer relojes atómicos mucho más precisos y ofrece una vía para intentar revelar uno de los grandes dilemas de la física, cómo interactúan la relatividad y la gravedad con la mecánica cuántica. La mejora de los relojes tiene muchas aplicaciones posibles más allá de la medición del tiempo y la navegación: pueden servir de microscopios para ver los minúsculos vínculos entre la mecánica cuántica y la gravedad, así como de telescopios para observar los rincones más profundos del universo.

 

Científicos de Estados Unidos lograron medir la Teoría de la Relatividad a la escala más pequeña jamás vista, usando un instrumento prodigioso.

Dos diminutos relojes atómicos separados por menos de un milímetro han conseguido medir, a la escala más pequeña nunca vista, la dilatación del tiempo, por la que ambos funcionan a ritmos diferentes, unos de los aspectos de la Teoría de la relatividad de Albert Einstein.

La investigación ha sido publicada en Nature, y se complementa con otra publicación que informa de la fabricación de un reloj atómico ultrapreciso, uno de los de mayor rendimiento de la historia, que está ya listo para acometer nuevos descubrimientos físicos.

La teoría de la relatividad general de Einstein de 1915 explica los efectos a gran escala, como el efecto gravitatorio sobre el tiempo, y tiene importantes aplicaciones prácticas, como la corrección de las mediciones de los satélites GPS. Según esta teoría, los relojes atómicos situados a diferentes alturas en un campo gravitatorio funcionan a ritmos distintos, es decir, un reloj funciona más despacio a menor altura, un efecto ya demostrado.

La investigación sugiere cómo hacer relojes atómicos mucho más precisos y ofrece una vía para intentar revelar uno de los grandes dilemas de la física, cómo interactúan la relatividad y la gravedad con la mecánica cuántica.

Un grupo del Instituto Jila (EE.UU.) ha logrado medir esa diferencia en una distancia menor de un milímetro, que es demasiado pequeña para ser percibida directamente por el ser humano, pero que es importante en el universo y en tecnologías como el GPS.

Jun Ye, investigador del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST, por sus siglas en inglés) y la Universidad de Colorado Boulder, dijo a la AFP que el reloj usado era "de lejos" el más preciso construido hasta el momento, y podría allanar el camino para nuevos descubrimientos en mecánica cuántica. "No hay ningún obstáculo para hacer relojes 50 veces más precisos que los actuales, lo cual es una noticia fantástica", destacó uno de los autores del estudio, Jun Ye, del Jila.

Hace más de un siglo, en 1915, Einstein presentó su teoría de la relatividad general, que sostenía que el campo gravitatorio de un objeto gigante distorsiona el espacio-tiempo. Esto hace que el tiempo transcurra más lentamente a medida que uno se acerca al objeto. Pero no fue hasta la invención de los relojes atómicos, que marcan el tiempo detectando la transición entre dos estados de energía dentro de un átomo expuesto a una frecuencia particular, que los científicos pudieron probar la teoría.

Los científicos han utilizado relojes atómicos como sensores para medir la relatividad de forma cada vez más precisa, lo que podría ayudar a explicar cómo interactúan sus efectos con la mecánica cuántica, el libro de reglas del mundo subatómico.

Los primeros experimentos incluyeron el Gravity Probe A de 1976, que involucró una nave espacial a 10.000 kilómetros sobre la superficie de la Tierra y mostró que un reloj a bordo era más rápido que su equivalente en la Tierra en un segundo cada 73 años. Desde entonces, los relojes se han vuelto cada vez más precisos y, por lo tanto, más capaces de detectar los efectos de la relatividad.

Una década atrás, el equipo de Ye estableció un récord al observar el tiempo moviéndose a diferentes velocidades cuando su reloj ultra preciso se movía 33 centímetros más alto.

La mejora de los relojes tiene muchas aplicaciones posibles más allá de la medición del tiempo y la navegación: pueden servir de microscopios para ver los minúsculos vínculos entre la mecánica cuántica y la gravedad, así como de telescopios para observar los rincones más profundos del universo, sugirió Jun Ye.

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.

El instrumento, conocido como reloj atómico de red óptica, puede medir las diferencias de tiempo con una precisión equivalente a perder solo un segundo cada 300.000 millones de años y es el primer ejemplo de reloj óptico "multiplexado", en el que pueden existir seis relojes distintos en el mismo entorno.

Su diseño permite probar formas de buscar ondas gravitacionales, intentar detectar la materia oscura y descubrir nueva física con relojes. Dentro del nuevo reloj de Ye hay 100.000 átomos de estroncio, superpuestos unos encima de otros hasta un total de aproximadamente un milímetro de altura. Este reloj es tan preciso que cuando los científicos dividieron la pila en dos, pudieron detectar diferencias en el tiempo en las mitades superior e inferior. Con este nivel de precisión, los relojes actúan básicamente como sensores.

"El espacio y el tiempo están conectados", dijo Ye. "Y con una medición del tiempo tan precisa, puedes ver cómo está cambiando el espacio en tiempo real: la Tierra es un cuerpo animado y vivo". Concluye el científico.

 

Referencia:

Bothwell, T. et al. Resolving the gravitational redshift across a millimetre-scale atomic sample. Nature 2022. https://doi.org/10.1038/s41586-021-04349-7

Doctor Fisión

Doctor Fision

Divulgador científico especialista en física y astrofísica, y apasionado de la ciencia en general. Autor del bestseller "El Universo Explicado" y de "La Nueva Carrera Espacial". Tiene más de 3 millones de seguidores en redes sociales.

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