Un reloj atómico midió cómo la relatividad general distorsiona el tiempo en un milímetro

Los relojes a diferentes alturas marcan a diferentes velocidades. Un reloj atómico ha revelado ahora esta característica clave de la teoría general de la relatividad en una escala de un milímetro. Hiroshi Watanabe/Getty Images
Los relojes a diferentes alturas marcan a diferentes velocidades. Un reloj atómico ha revelado ahora esta característica clave de la teoría general de la relatividad en una escala de un milímetro. Hiroshi Watanabe/Getty Images

Un milímetro puede no parecer mucho. Pero incluso una distancia tan pequeña puede alterar el flujo del tiempo.

Según la teoría de la gravedad de Einstein, la relatividad general, los relojes marcan más rápido cuanto más lejos están de la Tierra u otro objeto masivo.

Tóricamente, eso debería ser cierto incluso para diferencias muy pequeñas a diferentes las alturas de los relojes.

Ahora, un reloj atómico increíblemente sensible ha detectado esa aceleración en una muestra de átomos de tamaño milimétrico, revelando el efecto sobre una diferencia de altura más pequeña que nunca.

El tiempo se movió un poco más rápido en la parte superior de esa muestra que en la parte inferior, informan los investigadores el 24 de septiembre en arXiv.org.

“Esto es fantástico”, dice la física teórica Marianna Safronova de la Universidad de Delaware en Newark, que no participó en la investigación. “Pensé que llevaría mucho más tiempo llegar a este punto”. La extrema precisión de la medición del reloj atómico sugiere la posibilidad de utilizar los sensibles relojes para probar otros conceptos fundamentales de la física.

Una propiedad inherente de los átomos es que permite a los científicos utilizarlos como relojes.

Los átomos existen en diferentes niveles de energía y una frecuencia de luz específica los hace saltar de un nivel a otro.

Esa frecuencia, la tasa de meneo de las ondas de la luz, tiene el mismo propósito que el segundero que marca regularmente el tictac de un reloj.

Para los átomos más alejados del suelo, el tiempo corre más rápido, por lo que se necesitará una mayor frecuencia de luz para hacer que la energía salte.

Anteriormente, los científicos habían medido este cambio de frecuencia, conocido como desplazamiento al rojo gravitacional, en una diferencia de altura de 33 centímetros .

En el nuevo estudio, el físico Jun Ye de JILA en Boulder, Colorado, y sus colegas utilizaron un reloj compuesto por aproximadamente 100.000 átomos de estroncio ultrafríos.

Esos átomos estaban dispuestos en una red, lo que significa que los átomos se sentaron en una serie de alturas diferentes como si estuvieran parados en los peldaños de una escalera.

El mapeo de cómo cambió la frecuencia en esas alturas reveló un cambio.

Después de corregir los efectos no gravitacionales que podrían cambiar la frecuencia, la frecuencia del reloj cambió en aproximadamente una centésima de cuadrillonésima de porcentaje en un milímetro, justo la cantidad esperada según la relatividad general.

Además, después de tomar datos durante aproximadamente 90 horas, comparando el tic-tac de las secciones superior e inferior del reloj, los científicos determinaron que su técnica podría medir las tasas de tic-tac relativas con una precisión de 0,76 millonésimas de billonésima de porcentaje.

Eso lo convierte en un récord para la comparación de frecuencia más precisa jamás realizada.

En un estudio relacionado, también enviado el 24 de septiembre a arXiv.org, otro equipo de investigadores cargó átomos de estroncio en porciones específicas de una red para crear seis relojes en uno . “Es muy emocionante lo que hicieron también”, dice Safronova.

Shimon Kolkowitz de la Universidad de Wisconsin-Madison y sus colegas midieron las velocidades relativas de tic-tac de dos de los relojes, separados por unos seis milímetros, con una precisión de 8,9 millonésimas de billonésima de por ciento, lo que en sí mismo habría sido un nuevo récord si no habría sido superado por el grupo de Ye.

Con esa sensibilidad, los científicos podrían detectar una diferencia entre dos relojes marcando a una velocidad tan ligeramente diferente que estarían en desacuerdo por solo un segundo después de aproximadamente 300 mil millones de años.

El reloj de Ye podría detectar una discrepancia aún menor entre las dos mitades del reloj de un segundo acumulado durante aproximadamente 4 billones de años.

Aunque el equipo de Kolkowitz aún no midió el corrimiento al rojo gravitacional, la configuración podría usarse para eso en el futuro.

Los autores de ambos estudios se negaron a comentar, ya que los artículos aún no han pasado por el proceso de revisión por pares.

Futuro

La precisión de las mediciones apunta a posibilidades futuras, dice el físico teórico Victor Flambaum de la Universidad de Nueva Gales del Sur en Sydney. Por ejemplo, “los relojes atómicos ahora son tan precisos que pueden usarse para buscar materia oscura”, dice.

Esta sustancia sigilosa y no identificada acecha invisible en el cosmos; ciertos tipos hipotéticos de materia oscura podrían alterar el tic-tac de los relojes.

Los científicos también podrían comparar relojes atómicos hechos de diferentes isótopos (átomos con un número variado de neutrones en sus núcleos) que podrían insinuar nuevas partículas no descubiertas. Y los relojes atómicos pueden estudiar si las constantes fundamentales de la naturaleza pueden variar.

La capacidad de comparar con precisión diferentes relojes también es importante para un objetivo importante del cronometraje: actualizar la definición de un segundo.

La duración de un segundo se define actualmente utilizando una generación anterior de relojes atómicos que no son tan precisos como los más nuevos como los utilizados en los dos nuevos estudios.

“Hay un futuro muy brillante para los relojes”, dice Safronova.

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