La dilatación del tiempo se produce también a escala milimétrica

La dilatación del tiempo prevista por la relatividad general se ha medido por primera vez a escala milimétrica y se ajusta a las previsiones de Einstein: dos relojes atómicos, separados entre sí un milímetro, giran a distintas velocidades.

 Una investigación de la Universidad de Colorado Boulder ha medido por primera vez la variación del tictac de un reloj atómico, más conocida como dilatación del tiempo, en una escala milimétrica.

Un equipo JILA, el instituto de investigación en ciencias físicas gestionado conjuntamente por la Universidad de Colorado y el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST), ha conseguido demostrar que dos relojes atómicos, separados entre sí apenas un milímetro, giran a distintas velocidades.

El experimento, publicado en la revista Nature, describe cómo hacer que los relojes atómicos sean 50 veces más precisos que los mejores diseños actuales.

Al mismo tiempo, señala una ruta posible para revelar cómo la relatividad y la gravedad interactúan con la mecánica cuántica, un gran dilema en la física, según se informa en un

comunicado.

Precisión atómica

Los átomos existen en diferentes niveles de energía y una frecuencia de luz específica los hace saltar de un nivel a otro: eso permite a los científicos utilizarlos como segunderos de un reloj para medir el paso del tiempo.

La precisión de los relojes atómicos es única y permite a los científicos penetrar en los rincones más recónditos de la física, como ha ocurrido con la nueva investigación.

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 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 con anterioridad: por ejemplo, los físicos del NIST lo midieron en 2010 comparando dos relojes atómicos independientes, uno colocado 33 centímetros por encima del otro.

Más recientemente, el año pasado, se alcanzaron otros

dos récords de precisión

: uno entre relojes separados entre sí por un milímetro de altura, y otro en el que la separación entre relojes era de seis milímetros. El primer récord se obtuvo en la Universidad de Colorado y el segundo en la Universidad de Wisconsin-Madison.

Última proeza

En la nueva investigación, los científicos han medido por primera vez los desplazamientos de frecuencia entre los átomos de una misma muestra, compuesta por 100.000 átomos de estroncio ultrafrío cargados en una red óptica.

La red óptica generó la luz necesaria para hacer pasar átomos de un nivel de energía a otro. Esos cambios de frecuencia, tanto en la parte superior como en la parte inferior de la muestra, se observaron simultáneamente.

Los estados de energía de los átomos oscilaron entre dos niveles de energía al unísono durante 37 segundos, un récord de lo que se llama coherencia cuántica.

Gracias a este nuevo método, que consiste en utilizar una sola muestra de átomos, y no dos muestras separadas, los investigadores pudieron obtener una especie de mapa en miniatura de la distribución de las frecuencias de los átomos en la muestra.

Así, pudieron determinar que el corrimiento al rojo medido en la nube era minúsculo, pero muy presente: del orden de 0,00000000000000000001 mm. Un dato que se corresponde a las previsiones establecidas por Einstein en la relatividad general.

Nuevo espacio

Los investigadores destacan que se con este experimento se abre un nuevo espacio de exploración de la mecánica cuántica en el espacio-tiempo curvo.

Añaden que, si pudieran medir la dilatación del tiempo con una precisión 10 veces mejor, seguramente podrían descubrir que la gravedad irrumpe en la coherencia cuántica y explicar por qué el mundo macroscópico es tan diferente del cuántico.

Concluyen señalando que los relojes atómicos tienen aplicaciones que van más allá de la medición del tiempo y de la navegación.

Microscopios y telescopios cuánticos

Sugieren que también pueden servir como microscopios para ver vínculos minúsculos entre la mecánica cuántica y la gravedad, así como telescopios para observar los rincones más profundos del universo.

Los relojes atómicos ya se están utilizando para buscar la esquiva materia oscura, que se cree constituye la mayor parte de la materia del universo.

Por último, 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, concluyen los investigadores.

Referencia

Resolving the gravitational redshift across a millimetre-scale atomic sample

. Tobias Bothwell et al. Nature, volume 602, pages420–424 (2022). DOI:https://doi.org/10.1038/s41586-021-04349-7