"El Cosmos está constituido por todo lo que es, lo que ha sido o lo que será" Carl Sagan

20 febrero 2010

Mejor confirmación de los efectos de la gravedad sobre el tiempo

Físicos de Estados Unidos y Alemania, utilizando dos pilares básicos de la mecánica cuántica, realizaron una prueba de alta precisión sobre la Teoría de la Relatividad General de Einstein.

Los investigadores aprovecharon la dualidad onda-partícula y la superposición cuántica en un interferómetro atómico para demostrar que un efecto conocido como el desplazamiento al rojo gravitatorio —el enlentecimiento del tiempo cerca de un cuerpo masivo— se mantiene verdadero hasta una precisión de siete partes en mil millones.

Este resultado es importante para el logro de una teoría de la gravedad cuántica y podría tener implicaciones prácticas importantes, como la mejora en la precisión de los Sistemas de Posicionamiento Global (GPS).

El desplazamiento al rojo gravitatorio surge del principio de equivalencia subyacente en la Relatividad General. El principio de quivalencia afirma que los efectos locales de la gravedad son los mismos que los que se sufren en un marco de referencia acelerado. Por lo que la fuerza que siente alguien en un ascensor se podría deber tanto a una aceleración hacia arriba del ascensor como a la gravedad.

Pulsos de luz enviados hacia arriba por un reloj en el piso del ascensor serán desplazados por el efecto Doppler —desplazados al rojo— cuando el ascensor acelere hacia arriba, lo que significa que el reloj parecerá avanzar más lentamente si se comparan sus destellos con los de otro reloj ubicado en el techo del ascensor.

Debido a que no hay forma de diferenciar la gravedad de la aceleración, lo mismo ocurre en un campo gravitatorio, en otras palabras, cuanto mayor sea el tirón gravitatorio experimentado por un reloj, o más cerca esté de un cuerpo masivo, más lento marcará el tiempo.

La confirmación de este efecto respalda la idea de que la gravedad es una manifestación de la curvatura del espacio-tiempo, porque el flujo del tiempo no es constante en todo el universo, sino que varía de acuerdo a la distribución de los cuerpos masivos. El reforzar la idea de la curvatura del espacio-tiempo es importante cuando hay que distinguir entre las distintas teorías de gravedad cuántica, ya que hay varias versiones de la Teoría de Cuerdas en las que la materia puede responder a algo que no sea la geometría del espacio-tiempo.

Universalidad de la caída libre

Sin embargo, el desplazamiento al rojo gravitatorio como manifestación de la invarianza de la posición local (la idea de que el resultado de un experimento no gravitatorio es independiente de en qué lugar y en qué momento se lleve a cabo en el universo) es el experimento menos confirmado de los tres tipos de experimentos que apoyan el principio de equivalencia. Los otros dos, la universalidad de la caída libre y la invarianza local de Lorentz, se han verificado con precisiones de 10-13 o mejores aun, mientras que el desplazamiento al rojo gravitatorio se había confirmado antes con una precisión de 7×10-5.

Este valor se logró en 1976 registrando la diferencia de tiempo medida en dos relojes atómicos, uno en la superficie de la Tierra y el otro enviado a una altitud de 10.000 kilómetros en un cohete.

Este tipo de medición del desplazamiento al rojo es limitada por el grado de tirón gravitatotio que proporciona la masa de la Tierra. La nueva investigación, realizada por Holger Müller de la Universidad de California en Berkeley, Achim Peters de la Universidad Humboldt en Berlín y Steven Chu, antes en Berkeley y ahora Secretario de Energía de los Estados Unidos, es igualmente limitada pero logra mejorar mucho la precisión gracias a un reloj ultrasensible aportado por la mecánica cuántica.

En 1997, Peters uitilizó técnicas de confinamiento láser desarrolladas por Chu para capturar átomos de cesio y enfriarlos a pocas millonésimas de grado por encima del cero absoluto (para reducir su velocidad todo lo posible), y usó entonces un rayo láser vertical para impactar con un golpe hacia arriba los átomos y medir así la caída libre gravitatoria.

Ahora, Chu y Müller han reinterpretado los resultados de ese experimento para ofrecer una medida del desplazamiento al rojo gravitatorio.

En el experiento, cada uno de los átomos fue expuesto a a tres pulsos láser. El primer pulso puso al átomo en una superposición de dos estados de igual probabilidad, ya sea dejándolo solo para decelerar y que cayese de nuevo a la Tierra bajo el tirón gravitatorio, o dándole un impulso extra para que alcanzase una mayor altura antes de descender. Se aplicó entonces un segundo pulso en el momento justo, de manera de empujar al átomo al segundo estado de regerso más rápido hacia la Tierra, causando que los dos estados de superposición se encontrasen en el camino. En este punto, el tercer pulso de láser midió la interferencia entre los dos estados a causa de la existencia del átomo como una onda, siendo la idea que cualquier diferencia en el desplazamiento al rojo gravitatorio de estos dos estados a distintas alturas sobre la superficie de la Tierra se manifestaría como un cambio en la fase relativa de los dos estados.

Enorme frecuencia

La ventaja en este enfoque es la frecuencia extremadamente alta de la onda de de Broglie de los átomos de cesio —algo así como 3×1025 Hz—. Aunque a lo largo d elos 0,3 segundos de caída libre de las ondas de materia en la trayectoria superior experimentaron un lapso de apenas 2×10-20 s más que las ondas de la trayectoria baja, la enorme frecuencia de la oscilación, combinada con la capacidad de medir diferencias de amplitud de sólo una parte en 1.000, significaron que los investigadores pudieron confirmar el desplazamiento al rojo con una precisión de 7×10-9.

Como dice Müller, “si el tiempo de caída libre se extendiera a la edad del universo —14 000 millones de años— la diferencia temporal entre las rutas superior e inferior sería de apenas una milésima de segundo, y la precisión de la medida sería de 60 picosegundos, el tiempo que necesita la luz para viajar alrededor de un centímetro”.

Esta precisión extrema podría resultar útil para lograr que el Sistema de Posicionamiento Global sea más precsio. Como señala Müller, para determinar la posición de un objeto sobre el terreno con un error de un milímetro, el reloj atómico de los satélites GPS tendría que operar con una precisión de 10-17, una cifra que de hecho se ha logrado recientemente en un reloj desarrollado en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) de los Estados Unidos. Pero a la altura de los satélites de 20 000 kilómetros, estos relojes experimentan una aceleración del tiempo de aproximadamente una parte en 1010 a causa del desplazamiento al rojo gravitatorio. Recuperar la precisión de 10-17 requeriría, por lo tanto, conocer el efecto de desplazamiento al rojo con una precisión de 10-7.

Müller espera mejorar la precisión de las medidas de desplazamiento al rojo incrementando la distancia entre los dos estados de superposición de los átomos de cesio. La distancia lograda en la actual investigación era de apenas 0,1 milímetros, pero, según dice, incrementando esto a 1 metro debería ser posible detectar ondas gravitatorias, minúsculas ondulaciones en el tejido del espacio-tiempo predichas por la relatividad general de Einstein pero nunca antes observadas.

El trabajo se describe en Nature 463 926.

El autor de este artículo, Edwin Cartlidge, es un escritor de ciencia con base en Roma

Fuente: Physcics World

Vía AXXON

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