Publicado en Nature: El experimento más preciso de la dilatación gravitatoria del tiempo mediante relojes cuánticos

Un experimento de menos de un millón de dólares desarrollado por el Premio Nobel Steven Chu, Secretario de Energía del Presidente Obama, obtiene un test de precisión de la relatividad general 10000 veces más preciso que el mejor hasta ahora, 1000 veces más preciso que el que obtendrá el futuro experimento ACES que la ESA pretende instalar en la ISS y que costará más de 100 millones de euros. Según la relatividad general un reloj en un campo gravitatorio más intenso corre más lento. Normalmente este tipo de experimentos se realizan en satélites y en aviones de largo recorrido. Sin embargo, Holger Müller, Achim Peters y Steven Chu han utilizado una trampa láser para medir la diferencia entre el tiempo medido por dos relojes cuánticos separados una distancia vertical de 0,1 mm. en el campo gravitatorio de la Tierra y han verificado la teoría de Einstein con una precisión de 7 partes en mil millones. Cada reloj cuántico es un único átomo de Cesio enfriado cerca del cero absoluto encerrado en una trampa atómica por láser, la tecnología que hizo que Chu obtuviera el Premio Nobel en 1997. Steven Chu afirma que ha tenido que trabajar en el experimento de noche, durante los fines de semana y mientras viajaba en avión, debido a que dedica entre 70 y 80 horas semanales a su trabajo como Secretario de Energía. Nos lo cuenta Eric Hand, “General relativity tested on a tabletop,” Nature 463: 862, 17 February 2010, haciéndose eco del artículo técnico Holger Müller, Achim Peters, Steven Chu, “A precision measurement of the gravitational redshift by the interference of matter waves,” Nature 463: 926-929, 18 February 2010.

Christophe Salomon debe estar que trina. El investigador principal del proyecto ACES (Atomic Clock Ensemble in Space) que la ESA (European Space Agency) pretende instalar en 2013 en la Estación Espacial Internacional (ISS o International Space Station) está planeada para verificar la dilatación temporal de Einstein en un campo gravitatorio casi 1000 veces peor que el nuevo experimento de Müller et al. Una misión que costará unos 100 millones de euros a las arcas de los europeos en plena crisis siempre genera dudas. Por supuesto, Salomon se defiende afirmando que la misión también desarrollará otros experimentos relacionados y que medirá el efecto en distancias de kilómetros, en lugar de milímetros. Pero bueno, es nuestro dinero…

La teoría general de la relatividad predice que un reloj en un potencial gravitatorio U corre más despacio en un factor 1+U/c2, donde c es la velocidad de la luz, comparado con un reloj similar fuera de dicho potencial. Este efecto, llamado corrimiento al rojo gravitatorio, es importante para el funcionamiento preciso de los sistemas de GPS (Global Positioning System), en relojes atómicos de alta precisión y en futuros experimentos ultraprecisos que utilicen relojes colocados en el espacio que busquen variaciones de constantes fundamentales. El corrimiento al rojo gravitatorio ha sido medido utilizando relojes en aviones, cohetes y satélites, logrando alcanzar un error relativo de 7×10-5. El nuevo experimento basado en la interferencia cuántica de átomos ha permitido una medida mucho más precisa, alcanzando una precisión relativa de 7×10-9. Un resultado que cofirma la teoría de la relatividad general de la gravedad hasta un límite sin precedentes.

El nuevo experimento se basa en reinterpretar los experimentos de interferometría atómica que se han utilizado para medir la aceleración de la gravedad en caída libre.  La figura que abre esta entrada explica el experimento. Un átomo enfriado en una trampa láser es lanzado en vertical hacia arriba en una cámara de vacío sobre el que inciden tres pulsos ópticos desde un par de haces láser verticales antiparalelos con números de onda k1 y k2, respectivamente. Cada pulso láser transfiere un momento ħ(k1+k2) (donde ħ es h/2π y h es la constante de Planck) desde los dos fotones al átomo. Este proceso induce un retroceso del átomo que corresponde a un momento combinado ħk, donde kk1+k2. La intensidad y la duración del primer pulso láser se ha ajustado de tal forma que el proceso ocurre con una probabilidad del 50%. Como resultado, el primer pulso encuentra el átomo en un estado de superposición coherente de dos estados cuánticos, que se separan debido a su momento relativo ħk. El segundo pulso redirige el momento del átomo de forma que las trayectorias de los dos estados cuánticos coinciden en el momento en que incide el tercer pulso.

La mecánica cuántica describe el átomo en sus dos trayectorias mediante sus ondas de de Broglie en un estado coherente tal que sus oscilaciones están inicialmente sincronizadas (se separaron gracias al primer pulso láser). La aplicación del tercer pulso hace que las funciones de onda interfieran de forma constructiva o destructiva en función de su diferencia de fase, que se puede medir gracias a que afecta a la probabilidad de obtener como resultado de la medida alguno de los dos estados posibles. El resultado experimental obtenido compardo con el esperado teóricamente conduce a un error relativo de (7±7)×10-9, que es independiente de la aceleración local de la gravedad, g, y totalmente compatible con la relatividad general.

Un gran resultado de Steven Chu, máxime teniendo en cuenta lo terriblemente ocupado que estará en su cargo. Por supuesto, todos sabemos que el trabajo duro lo habrán desarrollado los otros dos autores (en especial el primer autor, Holger Müller, que por ello he puesto su foto en la figura que abre esta entrada), pero no debemos despreciar la labor de superposición desarrollada por este Premio Nobel.

PS (18 feb. 2010): Judith de Jorge, “Confirmado: Einstein tenía razón,” ABC.es, 17 feb. 2010 [visto en Menéame]; Alicia Rivera, “Átomos en vez de relojes para confirmar la teoría de Einstein con alta precisión,” El País, 17 feb. 2010.

PS (18 feb. 2010): Kanijo, “Confirmados los efectos de la gravedad sobre el tiempo,” Ciencia Kanija, 18 feb. 2010, traducción de “Gravity’s effect on time confirmed,” PhysicsWorld.com, Feb. 17, 2010.

PS (24 feb. 2010): Merece la pena leer a Enrique Álvarez, “Dos átomos para Einstein. Asombrosa detección del minúsculo efecto de la gravedad en la luz,” El País, 24/02/2010.



7 Comentarios

  1. ¿Es lo único pensable?

    Pensar que la gravedad afecta a los osciladores atómicos (como de hecho afecta a los péndulos normales de forma simple) aumentando/disminuyendo su periodo es “una locura” impensable …

    … Es mucho más “sencillo” pensar que es el “tiempo” el que se dilata y contrae …

    (( tengo la sospecha de que dentro de 200 años nos verán tan ridículos con nuestra “relatividad” como nosotros vemos a los físicos de hace dos siglos con su “flogisto” ))

    1. 1. La relatividad está demostrada experimentalmente. Podrán aparecer refinamientos (como la relatividad lo es de la mecánica newtoniana) pero la base está ahí para quedarse (igual que las leyes de Newton).

      2. Quien vea ridículos a los químicos del flogisto es que no tiene idea de ciencia ni de historia de la ciencia. La teoría del flogisto nace en el siglo XVII para dar una explicación a los fenómenos observados, y funcionaba, daba un armazón teórico que permite avanzar hacia nuevos descubrimientos. No es hasta la revolución que supuso la química cuantitativa (Lavoisier)que empiezan a obtenerse datos de que algo falla. Entonces se abandona por una nueva teoría que explica mejor los nuevos datos, puro método científico. Nada ridículo.

  2. Los objetos que se encuentran en los lugares donde “vamos a ir”, por ejemplo, a visitar a unos amigos, presionan sobre el estado de los àtomos de la corteza cerebral… De manera que comenzamos a leer un libro que, despuès, casualmente, vemos en la biblioteca de ellos… Y èste es un ejemplo sencillo de la uniòn de la gravedad con la mecànica cuàntica.

  3. si tan solo me dieran el dies por ciento de lo que gastaran le demostraria en 15 minutos que tan falsa es la teoria de dilatacion de tiempo.como tambien les mostraria como abtener una metodologia de medicion de tiempo absoluto como asi un sistemas de cordenada absoluto.les juro que no miento mi correo es jamolina@hotmail.com les mandare los calculos mas exacto que jamas hallan visto

    1. jajaja javier dale seguro que tenes un poco de eter guardado en una botella jajaj no puedo creer que haya gente que siga pensando de esa manera seras alguna pariente lejano de michelson o morley.

  4. 1º. El Principio de “LA Relatividad”

    Las leyes de todos los fenómenos físicos tienen la misma expresión en los
    sistemas entre sí inerciales. (Albert Einstein)

    Este Principio es la generalización a toda la Física del Principio de Relatividad de Galileo establecida para la Mecánica. Afirma la imposibilidad de detectar el movimiento uniforme de un sistema, a partir de un experimento físico realizado en el interior del mismo.

    Esto se puede explicar con el siguiente ejemplo, el que también lo seguiremos utilizando en toda la extensión del presente documento.

    Si en el medio de un mar en calma se encuentran 2 canoas una “A” y otra “B” cada una con un persona observando entre si sus ubicaciones. Y se produce una situación donde Una se aleja de la Otra. Intentar determinar cuál es la que se aleja, si es la “A” de la “B” o la “B” de la “A”, sería imposible para ambos observadores por no tener un sistema de referencia.

    Este ejemplo grafica el primer principio de la relatividad que establece y asegura que sería imposible poder determinarlo a través de un experimento físico dentro de las canoas cual es la que está en reposo o cual es la que se está moviendo.

    2º. Independencia de la velocidad de la luz.

    La velocidad de la luz en el vacío es independiente de la velocidad del foco y del observador. (Albert Einstein)

    Albert Einstein, en su teoría de la relatividad ESTABLECIO que el tiempo se dilataba.

    Conclusión a la que llego a partir del análisis del “experimento de los relojes por pulso de luz” donde uno se encontraba en reposo y el otro en movimiento. Notando que el que estaba en movimiento atrasaba respecto al que estaba en reposo.
    La base de esta conclusión, la obtuvo al analizar el experimento realizado por Michelson y Morley con el interferómetro.

    Ahora bien,
    1- Por un lado tenemos lo que afirmaban tanto GALILEO, NEWTON como EINSTEIN sobre la imposibilidad de que a través de algún experimento físico se pueda determinar desde el interior de un sistema o móvil, si este se encuentra en reposo o en movimiento.
    2- Por otro lado, tenemos el destiempo que hay entre un reloj en movimiento en relación a otro en reposo.

    Que resultado obtendríamos si repetimos ambos experimentos pero en forma simultanea, colocando en cada una de las canoas un reloj.

    Si los resultados individuales del experimento se repitiesen y los asociamos podemos CONCLUIR y AFIRMAR:
    1- La canoa “A” que contiene al reloj que marco un tiempo menor, es la que se esta alejando con respecto a la canpa “B”, o sea ESTA EN MOVIMIENTO.
    2- La canoa “B” que contiene al reloj que marco un tiempo mayor, es la que no se esta alejando con respecto a la cano “A”, o sea ESTA EN REPOSO.

    COMPORTAMIENTO DE LA LUZ

    En el siguiente esquema veremos como se comporta la luz en ambos casos.

    La particularidad que tienen estos relojes, es que marcan el tiempo por medio de pulsos de luz, donde un haz sale del foco emisor para luego revotar en un espejo y volver al punto de partida como lo indica la figura A.
    Pero solo vuelve al punto de partida si el foco emisor esta en reposo y en un plano unidimensional.

    Figura A
    RELOJ DE PULSO LUZ EN REPOSO

    Las flechas marcan el ida y vuelta del haz de luz

    O = Foco Emisor

    Sabiendo que la luz no altera su velocidad ni su trayectoria por ser independiente del foco emisor, analicemos el siguiente ejemplo.
    Supongamos tener un reloj similar al de la figura “A” que se encuentra en movimiento rectilíneo uniforme en dirección perpendicular al haz de luz (eje “Y”) sabiendo las particularidades de la luz veremos el siguiente fenómeno.
    Figura B

    *- Las flechas rojas indica la trayectoria de la luz y la negra la dirección del móvil

    En la figura “B”, el sistema “K” se encuentra en movimiento y observamos, como la luz experimenta una mayor trayectoria que en la figura ”A” donde la misma, al rebotar en el espejo, dibuja una línea recta vertical, mientras que en la figura “B” observamos que la luz, al rebotar en el espejo, dibuja un triangulo cuya base esta dada por la trayectoria del foco emisor.
    Conclusiones: Cuando el foco emisor se encuentra en movimiento, el pulso de luz que marca el tiempo, es mayor que cuando esta en reposo.
    Esto es debido a que los FOTONES, partículas que componen la luz, salen del foco emisor siguiendo una trayectoria rectilínea sin modificar ese estado por causa del desplazamiento del foco emisor. Reafirmando el segundo enunciado.

    Aquí tenemos un claro ejemplo del fenómeno en un tren
    Esta fue la deducción que EINSTEN tomo al observar este fenómeno, (SIC “el tiempo se dilata en los relojes en movimiento”).

    Sistema de Referencia Absoluto
    Planteo
    Retomando el primer ejemplo de las canos, nos preguntamos si podríamos determinar, si la Canoa “A” se encuentra en reposo o en movimiento sin tener como punto de referencia a la canoa “B” como así también ningún otro referencial.
    Condiciones a tener presente en la respuesta al planteo
    1- Comportamiento de la luz en los sistemas en reposo y en movimiento.(canoas)
    2- La velocidad de la luz en el vacío es independiente de la velocidad del foco y del observador. (Albert Einstein).

    Experimento
    1- Colocamos dentro de la canoa “A” (en movimiento) dos relojes de pulsos de luz.
    2- Un reloj en posición vertical
    3- Un reloj en posición horizontal
    Observación del Comportamiento del haz de luz de cada reloj
    1- El Comportamiento y análisis del reloj en posición vertical será idéntico al que se encontraba en la cano “A” (en movimiento).
    2- Comportamiento y análisis del reloj en posición horizontal será idéntico al que estaba en la canoa “B” (en reposo).
    Demostración del comportamiento del reloj horizontal
    En la figura “C” se pueden observar la posición de los dos relojes que se encuentran dentro de la cano “A”
    Figura C

    1- El has de luz es disparado en la misma dirección del movimiento de la canoa.
    2- La velocidad de la luz es independiente a la velocidad del foco emisor.
    3- La luz se desplaza en un plano unidimensional en el pulso emitido, esto significa cuando el has de luz rebota en el espejo, el dibujo será una línea recta horizontal, similar a la descripta anteriormente
    4- El reloj que se encuentra ubicado en forma horizontal, experimenta el mismo comportamiento que el que se encontraba en la canoa “B” (en reposo),
    Conclusión:
    Es posible determinar que la canoa “A” se encuentra en reposo o en movimiento sin depender de la canoa “B” o de cualquier otro sistema de referencia externo a dicha canoa.
    El tiempo Absoluto
    Gracias a que conjugamos la medición del tiempo con las canoas, pudimos determinar cuál es la que se movía.
    Mediante al ejemplo de la figura “C” que nos marca en forma muy clara cuando un móvil se está desplazando (con movimiento rectilíneo), podemos determinar otro fenómeno.
    Planteo
    Si disparamos un haz de luz en un plano unidimensional y este revotara en un espejo para luego volver a su punto de partida, tendríamos una forma de medir un tiempo absoluto,
    Condición Necesaria para que se verifique el planteo:
    1- Todos los sistemas deben utilizar la misma metodología de medición.
    Definición
    Si el haz de luz saliera del espacio unidimensional, marcándonos un pulso de tiempo mayor como en el caso de la canoa “A” este pulso o tiempo seria directamente proporcional a la velocidad del desplazamiento de la canoa.
    Calculo del Tiempo Absoluto
    Teniendo en cuenta el presente desarrollo, se puede calcular el tiempo absoluto aplicando la siguiente formula:
    TA = 2D
    C

    TA: Tiempo Absoluto
    D: Distancia entre el foco emisor y el espejo
    C: Velocidad de la luz

    Plano Unidimensional

    La diferencia de tiempo que marque nuestro dispositivo de medición, fuera de un espacio unidimensional, nos estaría indicando la velocidad del desplasamiento del foco emisor y no una dilatación de tiempo.

    De esta manera se determina que EXISTE el tiempo absoluto
    Sistema de Referencia y Tiempo Absoluto
    Ahora bien si analizamos que el haz de luz que sale de un espacio unidimensional nos marca en forma directamente proporcional el desplazamiento del móvil la pregunta es ¿el móvil se desplaza con respecto a que?
    Si tomamos como referencia la ubicación del foco emisor en el mismo momento que el haz de luz marca un pulso de ida y vuelta notaríamos que existe una distancia entre el punto “A” y ”C” como lo indica la figura “D”.

    FIGURA D
    B “B” representa al espejo

    A C
    “A” representa el foco emisor
    Las flechas negras indican la trayectoria de la luz
    Las flechas lilas indican el sentido y la dirección del movimiento
    Esta distancia seria la que recorre el foco emisor en un pulso de luz estando en movimiento y si comparamos este con el pulso de tiempo absoluto podríamos determinar con exactitud la velocidad del móvil o sistema utilizando el teorema de pitagoras.
    De esta manera por primera ves estaríamos midiendo dentro de un móvil, no solo si se encuentra en reposo o en movimiento sino que también la velocidad de su desplazamiento, ahora bien si unimos con una recta las coordenadas “C” y “A” en este orden y que representan la emisión y recepción del pulso de luz obtendríamos como resultante la dirección y sentido del desplazamiento sin importar que el móvil cambie de dirección en el tiempo que toma un pulso.
    Conclusión: los sistemas o canoas se mueven con respecto a la luz tomando el momento de emisión y recepción de un pulso de luz como referencial.
    De esta manera un pulso de luz determinaría el movimiento de un móvil respecto a cualquier punto en el UNIVERZO y a su vez representa una coordenada única en este.
    Con esta metodología de medición obtendríamos los cálculos mas exactos que jamás se pudieran obtener en sistemas de GPS como así la ubicación la velocidad, dirección y sentido de cualquier sistema o móvil en la inmensidad del espacio.
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  5. Vamos a ver, claro que los niveles de energía varían con el campo gravitatorio, eso todo el mundo lo tiene claro, no es que no se les ocurra pensar en eso. Sin embargo, el efecto que tienen sobre el funcionamiento del reloj es menor que el error que comete en la medición, por tanto no es preciso tenerlo en cuenta en este experimento. Cuando haya alguno en el que el efecto sea significativo, claro que habrá que tenerlo en cuenta. Hay que ver, para atacar a la relatividad, ya no te queda más remedio que empezar diciendo que qué es el tiempo. Cuando ya no es un problema de precisión el resultado experimental, entonces cuestionas el concepto de tiempo. Y supongo que eso harás ad nauseam, siempre que aparezca un nuevo resultado.

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Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 17 febrero, 2010
Categoría(s): ✓ Ciencia • Física • Noticias • Óptica • Physics • Política • Relatividad • Science
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