17 de febrero de 2010
Damon English/ UC Berkeley
Mientras que los experimentos en cohetes y aviones han demostrado que la gravedad hace que los relojes marchen más despacio (predicción central de la teoría general de la relatividad de Albert Einstein), un nuevo experimento, en un interferómetro de átomos, midió ese frenado con una precisión 10.000 veces mayor que cualquiera anterior, y encontró que es exactamente lo que Einstein predijo.
El resultado muestra, una vez más, lo bien que la teoría de Einstein describe el mundo real, dijo Holger Müller, profesor asistente de física en la Universidad de California en Berkeley.
“Este experimento demuestra que la gravedad cambia el flujo del tiempo, un concepto fundamental en la teoría de la relatividad general”, dijo Müller. El fenómeno es, a menudo, llamado corrimiento al rojo gravitacional, debido a que las oscilaciones de las ondas de luz reducen su velocidad o se hacen más rojas cuando son tironeadas por la gravedad.
Un reporte describiendo el experimento aparece en la edición del 18 de febrero de la revista Nature.
Tratando a las partículas como ondas
Müller probó la teoría de Einstein, aprovechando uno de los principios de la mecánica cuántica: la materia es, al mismo tiempo, tanto una partícula como una onda. Los átomos de cesio utilizados en el experimento pueden ser representados por ondas de materia que oscilan 3×10^25 veces por segundo.
Cuando la onda de materia del átomo de cesio entra al experimento, se encuentra con un destello de láser cuidadosamente sintonizado. Las leyes de la mecánica cuántica intervienen, y cada átomo de cesio entra en dos realidades alternativas, dijo Müller. En una, el láser ha levantado al átomo una décima de milímetro, dándole un pequeño impulso hacia afuera del campo gravitacional de la Tierra. En la otra, el átomo permanece inmóvil dentro de la gravedad de la Tierra, donde el tiempo pasa volando pero menos rápidamente.
Como la frecuencia de las ondas de materia de cesio es demasiado alta para ser medida, Müller y sus colegas utilizaron la interferencia entre esas ondas en realidades alternativas para medir la diferencia resultante entre sus oscilaciones y, por lo tanto, el desplazamiento al rojo.
Las ecuaciones de la relatividad general predicen precisamente la medida del frenado del tiempo, con una exactitud de aproximadamente uno en 100 millones, 10.000 veces más precisa que las mediciones realizadas hace 30 años con dos relojes máser de hidrógeno, uno en la Tierra y el otro lanzado en un cohete hasta una altura de 10.000 kilómetros.
“Dos de las teorías más importantes en toda la física son la Mecánica Cuántica y la Teoría General de la Relatividad”, señaló el colaborador de Müller, Steven Chu, ex profesor de física de la Universidad de Berkeley y ex director del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (LBNL). Chu fue uno de los creadores del interferómetro de átomos, que se basa en su desarrollo, ganador del Premio Nobel, de las trampas de láser frío. “El artículo que estamos publicando en la revista Nature utiliza dos aspectos fundamentales de la descripción cuántica de la materia para realizar una de las pruebas más precisas de la Teoría General de la Relatividad”.
Cronometraje preciso
Más allá de lo meramente teórico, los resultados tienen implicaciones para el sistema satelital de posicionamiento global de la Tierra (GPS), para el cronometraje preciso y para los detectores de ondas gravitacionales, dijo Müller.
“Si utilizamos nuestros mejores relojes, con precisión de 17 dígitos, en los satélites de posicionamiento global, podemos determinar la posición al milímetro”, dijo. “Pero al ascender 1 metro el reloj, se produce un cambio en el décimo sexto dígito. Así que, como los relojes que utilizamos son cada vez mejores, tenemos que conocer mejor la influencia de la gravedad”.
Müller señaló también que el experimento demuestra muy claramente “la profunda reflexión de Einstein que la gravedad es una manifestación de la curvatura del espacio-tiempo, que es uno de los mayores descubrimientos de la humanidad”.
Este pensamiento significa que lo que pensamos como influencia de la gravedad (los planetas orbitando estrellas, por ejemplo, o una manzana cayendo a la Tierra) es realmente la materia siguiendo la trayectoria más rápida a través del espacio-tiempo. En una geometría plana, la trayectoria más rápida es una línea recta. Pero en la teoría de Einstein, el flujo del tiempo se convierte en una función de la ubicación, por lo que la trayectoria más rápida podría ser, ahora, una órbita elíptica o la línea de la plomada al suelo.
Los experimentos han puesto a prueba la teoría a un nivel de precisión cada vez más alto, pero las mediciones directas del corrimiento al rojo gravitacional se han enfrentado con el tamaño mínimo de los efectos en el campo gravitatorio de la Tierra. Estas mediciones culminaron en el experimento de 1976 de la NASA y del Observatorio Astrofísico Harvard-Smithsoniano, usando relojes máser de hidrógeno. Esa precisión fue de 7×10^-5.
Interferómetros de átomos
Así como un interferómetro óptico utiliza la interferencia de las ondas de luz para medir el tiempo o la distancia dentro de una fracción de longitud de onda, un interferómetro de átomos utiliza la interferencia de ondas de materia. Debido a que las ondas de materia oscilan a una frecuencia mucho mayor que las ondas de luz, pueden ser utilizadas para medir tiempos y distancias más pequeños.
Desde 1991, cuando Chu estaba en la Universidad de Stanford, él y los ex miembros de su laboratorio utilizaron su técnica de enfriamiento y captura de átomos con láser para crear los interferómetros de átomos más precisos. En 1999, uno de esos estudiantes, Achim Peters, ahora en la Universidad Humboldt, en Berlín, realizó un experimento tal sobre los átomos de cesio en caída libre para medir con precisión la aceleración de la gravedad.
Müller, quien fue estudiante de posgrado de Peters, en la Universidad Humboldt, trabajó posteriormente en el grupo de Steve Chu, en Stanford, como investigador postdoctoral, a pesar que Chu dejó Stanford durante ese tiempo para convertirse en el director del LBNL y más tarde secretario de Energía de EE.UU. Después de unirse a la facultad de la Universidad de Berkeley en julio de 2008, Müller asistió a una conferencia sobre la frecuencia y el tiempo de medición, donde se dio cuenta que los datos experimentales de Peters también podrían dar la medida más precisa del corrimiento al rojo gravitacional. Müller le habló a Chu sobre el experimento y recibió una respuesta entusiasta.
El experimento de Peters involucró la captura de un millón de átomos de cesio en una trampa láser fría, enfriada hasta unas cuantas millonésimas de grado sobre el cero absoluto y sacudiéndolos con un haz de láser vertical sintonizado para darles un empujón hacia arriba, con el 50 por ciento de probabilidad. Una fracción de segundo más tarde, un segundo pulso de láser envía las ondas de materia de alto nivel hacia abajo y las estacionarias hacia arriba para combinarlas. Un tercer pulso de láser recombina las dos. Midiendo la amplitud de las ondas de materia recombinadas se revela la diferencia de fase entre ellas.
Müller y Chu percibieron que la contribución de la masa en reposo a la frecuencia de oscilación de las ondas de materia es normalmente ignorada en los cálculos de la mecánica cuántica, ya que las frecuencias resultantes son demasiado rápidas para ser medidas. Pero en este experimento, esta alta frecuencia “Compton” permitió una medida extremadamente precisa de las diferentes marchas de los relojes.
“En la concepción de esta investigación, nos dimos cuenta que la teoría de la relatividad exige que la energía E también incluya a la energía debida a la masa en reposo del átomo, dada por la famosa ecuación de Einstein E=mc^2″, escribió Chu en un email. “La energía debido a la masa en reposo de los átomos es enorme, resultando en un reloj atómico con una marcha de 3×10^25 Hertz”.
Caída libre
Durante los aproximadamente 0,3 segundos de caída libre, las ondas de materia sobre la ruta alta sienten que ha transcurrido un poco más de tiempo: sólo 2×10^-20 segundos en comparación con la ruta baja. Pero debido puramente a la magnitud de la frecuencia de Compton, dijo Müller, oscilaron con una frecuencia alrededor de un millón de veces mayor. Dado que el interferómetro de átomos podría medir la diferencia dentro de una milésima de una oscilación, el experimento produjo una precisión de 9 dígitos . Esto corresponde a la medición de una diferencia de tiempo de 10^-28 segundos.
Para poner estas cifras en perspectiva, dijo Müller, “si el tiempo de caída libre se extendiera a la edad del Universo, 14 mil millones de años, la diferencia de tiempo entre las rutas más alta y más baja sería un mero centésimo de segundo, y la precisión de la medida sería de 60 picosegundos, el tiempo que tarda la luz en recorrer aproximadamente media pulgada (aproximadamente 2,54 cm).”
Müller está construyendo interferómetros de átomos aún más precisos y espera poder medir, este año, el corrimiento al rojo gravitatorio con más precisión, con un milímetro de separación. Un hito futuro será una separación de un metro o más.
“Si pudiéramos separar los átomos un metro, se podría construir un experimento para observar las ondas gravitacionales”, dijo. Las ondas gravitacionales son pequeñas fluctuaciones en la gravedad que se propagan a través del espacio-tiempo generadas, teóricamente, por las interacciones entre estrellas masivas o agujeros negros.
Para filtrar el ruido de la gravedad de la Tierra y otras perturbaciones, como un camión pasando, del experimento tendrían que participar al menos dos interferómetros de átomos separados por una gran distancia. Un lugar ideal para este experimento, dijo, sería el Laboratorio de Ingeniería y Ciencia Subterránea Profunda, en la mina desactivada Homestake, en Dakota del Sur.
La investigación fue financiada por la Fundación Nacional de Ciencias, la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea , la Fundación David y Lucile Packard y el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología.
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Etiquetas: Cosmología, Relatividad
