Vea También
|
|
Los físicos del JILA han medido la teoría de la relatividad general de
Albert Einstein, o más concretamente, el efecto llamado dilatación del
tiempo, a la escala más pequeña jamás vista, demostrando que dos
diminutos relojes atómicos, separados por apenas un milímetro o el ancho
de la punta de un lápiz afilado, funcionan a ritmos diferentes. Crédito:
R. Jacobson/NIST |
La conexión entre la relatividad y la mecánica cuántica ha sido una caja negra
para el mundo de la física durante décadas. Esto se debe, en parte, a la
dificultad de recopilar datos sobre los sistemas que interactúan entre
ambas. La relatividad es el reino de lo supermasivo, mientras que la
mecánica cuántica puede describirse mejor como el reino de lo minúsculo.
Pero, de hecho, hay un ámbito particular en el que se solapan. Uno de
los resultados de la relatividad es que la gravedad puede afectar al flujo del
tiempo. Este efecto, conocido como "dilatación del tiempo", ha
sido estudiado por los investigadores del Instituto Nacional de Estándares y
Tecnología (NIST) de EE. UU. utilizando un reloj atómico de extraordinaria
precisión.
La dilatación del tiempo en sí misma es un concepto bien
establecido. Ni siquiera es la primera vez que los ingenieros del NIST
lo demuestran utilizando
relojes atómicos. Conceptualmente, la dilatación del tiempo significa que la propia
gravedad ralentiza el tiempo. Por lo tanto, un objeto que experimenta
una alta gravedad experimentará menos tiempo.
Uno de los ejemplos
más famosos de este concepto se plasmó probablemente en la película
Interstellar. Los héroes acaban en un mundo desolado, buscando a un
explorador que sólo había experimentado unas horas en la superficie del
planeta mientras que en la Tierra pasaban años. En el caso de la
película, esa dilatación del tiempo se debe a la alta gravedad causada por un
agujero negro cerca del planeta, pero los mismos efectos pueden verse a escala
diminuta incluso aquí en la Tierra.
En el pasado, los científicos
del NIST lo demostraron midiendo la dilatación del tiempo de dos relojes
atómicos colocados uno encima del otro a sólo 33 cm (1 pie) de
distancia. Incluso con esa pequeña distancia, pudieron detectar cambios
perceptibles en la gravedad. Ahora, para su siguiente truco, redujeron
esa distancia a sólo un milímetro.
Tener dos relojes atómicos
separados tan cerca es físicamente imposible, así que el Dr. Jun Ye y su
equipo idearon uno nuevo para utilizarlo específicamente en este
experimento. Normalmente, estos dispositivos utilizan la vibración de un
determinado tipo de átomo para contar el tiempo. La propia definición de
un segundo se basa en las vibraciones de un átomo de cesio.
Los investigadores utilizaron una estructura conocida
como "celosía óptica" que contiene unos 100.000 átomos individuales de
estroncio en una estructura definida. Y lo que es más importante,
también desarrollaron un sistema de imágenes que permitía vigilar de cerca la
parte superior e inferior de la red, que podría considerarse similar a una
pila de tortitas, sólo que a escala atómica. La distancia entre la parte
superior e inferior de la red óptica medía sólo un milímetro, lo que la
convierte en la distancia más pequeña jamás vista en este tipo de
experimento.
Aun así, había una diferencia perceptible en el tiempo
experimentado por la parte superior de la red frente a la inferior. Fue
sólo de 0,0000000000000000001 segundos, pero los científicos lo contaron sin
duda. Eso estaba en línea con las expectativas de lo que la relatividad
general dice que habría sido.
Demostrar una teoría que ya ha sido
probada docenas de veces antes no fue el único resultado del experimento, sin
embargo. La técnica utilizada por los investigadores apunta a la posible
construcción de un reloj 50 veces más preciso que cualquiera de los existentes
en la actualidad. De nuevo, esto podría parecer una exageración, ya que
la mayoría de los relojes atómicos son más que adecuados para medir cualquier
cosa en nuestro macromundo. Pero en el orden de la mecánica cuántica, el
tiempo en sí mismo se vuelve divertido, ya que las ligeras diferencias de
gravedad en distancias mínimas son un factor de confusión en nuestra
comprensión de ese ámbito. Unos relojes más precisos podrían explorar
esas pequeñas distancias de una forma que nunca antes ha sido posible, y este
nuevo reloj atómico basado en la "nube de átomos" puede ser una forma de
hacerlo.
Todavía es necesario mejorar la precisión en un orden de
magnitud antes de que se puedan realizar estos experimentos. Pero con
suerte, determinación y una financiación continuada, la mejora de los relojes
atómicos podría allanar el camino para desvelar uno de los mayores misterios
de la física.
Fuentes, créditos y referencias:
T. Bothwell, C.J. Kennedy, A. Aeppli, D. Kedar, J.M. Robinson, E. Oelker, A. Staron and J. Ye. Resolving the gravitational redshift in a millimetre-scale atomic sample. Nature. Published online Feb. 16, 2022. DOI: 10.1038/s41586-021-04349-7
Fuentes: NIST, Universe Today