Lograron medir la deformación del tiempo ¡en escala milimétrica!

Uno de los resultados de Albert Einstein en su teoría de la relatividad general, es que el campo gravitatorio de un objeto masivo distorsiona el espacio-tiempo, lo que hace que el tiempo se mueva más lentamente a medida que uno se acerca al objeto. A este fenómeno se lo conoce como "dilatación gravitacional del tiempo" y es medible, particularmente en la cercanía de un objeto muy masivo como la Tierra.

La medición requiere un reloj suficientemente preciso y, hoy en día, los cronometradores más precisos son los relojes atómicos, que marcan el tiempo detectando la energía de transición entre dos estados electrónicos en un átomo.

Este efecto ahora ha sido estudiado por investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) en los Estados Unidos, y para ello utilizaron un reloj atómico extraordinariamente preciso. La dilatación del tiempo es un concepto bien establecido, de hecho los ingenieros del NIST ya lo han probado en otras oportunidades usando relojes atómicos.

Pero, en un estudio publicado recientemente en la revista Nature, han medido por primera vez los distintos efectos de la gravedad sobre dos cronógrafos situados a menos de un milímetro de distancia.

En esta investigación se colocaron dos diminutos relojes atómicos separados por menos de un milímetro, y con ellos se ha conseguido medir, a la escala más pequeña nunca antes vista, la "dilatación del tiempo", por la que ambos funcionan a ritmos diferentes, unos de los aspectos de la Teoría de la relatividad de Einstein.

Avances en las mediciones

En trabajos anteriores, los científicos del NIST han demostrado la dilatación del tiempo utilizando dos relojes atómicos colocados uno encima del otro a 33 centímetros de distancia. Los relojes atómicos situados a diferentes alturas en un campo gravitatorio funcionan a ritmos distintos, es decir, un reloj funciona más lento a menor altura, un efecto ya demostrado.

Pero, como ya les adelantamos, es este último experimento redujeron esa distancia a un milímetro, y como resultado obtuvieron que aún con esa pequeña distancia podrían detectar cambios perceptibles en la gravedad.

Tener dos relojes atómicos separados que se cierran entre sí es físicamente imposible, por lo que el Dr. Jun Ye y su equipo de trabajo diseñaron un reloj atómico novedoso para usar específicamente en este experimento. Por lo general, estos dispositivos utilizan la vibración de un determinado tipo de átomo para contar el tiempo. La definición de un segundo en sí se basa en las vibraciones de un átomo de cesio (Cs).

Nuevo reloj atómico de "red óptica"

El instrumento conocido como reloj atómico de red óptica, puede medir las diferencias de tiempo con una precisión equivalente a perder sólo un segundo cada 300 mil millones de años, y es el primer ejemplo de reloj óptico "multiplexado", en el que pueden existir seis relojes distintos en el mismo entorno.

Los investigadores en esta oportunidad utilizaron una estructura conocida como "red óptica" que contiene alrededor de 100 mil átomos de estroncio (Sr) individuales en una estructura definida. Es importante destacar, que también desarrollaron un sistema de imágenes que pudo monitorear cerca de la parte superior e inferior de la red óptica, que solo mide un milímetro, y eso la convierte en la distancia más pequeña jamás vista en este tipo de experimento.

Como resultado se vio una diferencia en el tiempo experimentado por la parte superior de la red óptica frente a la inferior de 10 ⁻¹⁹ segundos. Por supuesto que ese tiempo es imperceptible para los seres humanos, pero los científicos lo detectaron. Este resultado fue el esperado y estaba dentro de las expectativas según las bases de la relatividad general, pero hay algo más detrás de este gran experimento.

Utilidad de los relojes atómicos ultraprecisos

La Teoría de Einstein que data de 1915 ha sido probada muchas veces, pero este no fue el único resultado del experimento. La técnica que utilizaron los investigadores es lo destacado, porque apunta a la construcción potencial de un reloj 50 veces más preciso que cualquiera de los existentes en la actualidad.

Te debes estar preguntando ¿y para qué se necesitan relojes con semejante precisión? y la respuesta para el mundo macro en el que vivimos podría ser que es "excesivo o innecesario". Pero en realidad, en el orden de la mecánica cuántica los relojes más precisos podrían explorar esas pequeñas distancias de una manera que nunca antes había sido posible, y este nuevo reloj atómico basado en una "nube de átomos" puede ser una forma de hacerlo.

Así se intentaría revelar uno de los grandes dilemas de la física, cómo interactúan la relatividad y la gravedad con la mecánica cuántica que rige las reglas del mundo subatómico. Por eso, es necesario que sepas que 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, 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", explicó el Dr. Jun Ye. Su diseño permite probar formas de buscar ondas gravitacionales, intentar detectar la materia oscura y descubrir nueva física con relojes.