Los experimentos en JILA sugieren cómo hacer que los relojes atómicos sean 50 veces más precisos que los mejores diseños actuales y ofrecen una ruta, para quizás revelar cómo la relatividad y la gravedad interactúan con la mecánica cuántica, un gran dilema en la física moderna. JILA es un laboratorio operado conjuntamente por el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) y la Universidad de Colorado Boulder.
El resultado más importante y emocionante es que potencialmente podemos conectar la física cuántica con la gravedad, por ejemplo, probando la física compleja cuando las partículas se distribuyen en diferentes lugares en el espacio-tiempo curvo. Para el cronometraje, también el experimento muestra que no hay obstáculos para hacer que los relojes sean 50 veces más precisos que los actuales, lo cual es una noticia fantástica.
Pequeños cambios en el tiempo significan grandes cambios en la forma en que entendemos el mundo. Hace más de 100 años, la teoría de la relatividad general de Albert Einstein propuso que la gravedad de objetos grandes como la Tierra distorsiona el flujo del tiempo. El reloj más nuevo de NIST encuentra que la teoría de Einstein funciona en una escala milimétrica, reduciendo la brecha entre la física cuántica y nuestra comprensión más amplia de nuestro mundo y el universo.
La teoría de la relatividad general de Einstein de 1915 explica los efectos a gran escala, como el efecto gravitacional en el tiempo, y tiene importantes aplicaciones prácticas, como la corrección de las mediciones de los satélites GPS. Aunque la teoría tiene más de un siglo, los físicos siguen fascinados por ellas y los científicos del NIST han utilizado relojes atómicos como sensores para medir la relatividad con mayor precisión, lo que finalmente puede ayudar a explicar cómo interactúan sus efectos con la mecánica cuántica, y las reglas del mundo subatómico.
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, se desplaza hacia el extremo rojo del espectro electromagnético, cuando se observa en una gravedad más fuerte, cuando está más cerca de la Tierra. Es decir, un reloj avanza más lentamente en lugares más cercano a la superficie terrestre. Este efecto se ha demostrado repetidamente; por ejemplo, los físicos del NIST lo midieron en 2010 comparando dos relojes atómicos independientes, uno colocado 33 centímetros por encima del otro.
Los investigadores de JILA ahora han medido los cambios de frecuencia entre la parte superior e inferior de una sola muestra de aproximadamente 100,000 átomos de estroncio ultra fríos cargados en una red óptica. En este nuevo caso, la red, que se puede visualizar como una pila de panqueques creados por rayos láser, tiene tortas inusualmente grandes, planas y delgadas, y están formadas por una luz menos intensa que la que se usa normalmente. Este diseño reduce las distorsiones en la red causadas normalmente por la dispersión de la luz y los átomos, homogeneiza la muestra y extiende las ondas de materia de los átomos, cuyas formas indican la probabilidad de encontrar los átomos en ciertos lugares. Los estados de energía de los átomos están tan bien controlados que todos oscilaron entre dos niveles de energía al unísono durante 37 segundos, un fenómeno que se llama coherencia cuántica.
Crucial para los nuevos resultados fue la innovación que proporcionó un mapa microscópico de distribuciones de frecuencia en la muestra, y su método de comparar dos regiones de una nube de átomos en lugar del enfoque tradicional de usar dos relojes separados.
El corrimiento al rojo medido a través de la nube de átomos fue pequeño, en el ámbito de 0,0000000000000000001, consistente con las predicciones. Si bien es demasiado pequeño para que los humanos lo perciban directamente, las diferencias se suman a los efectos importantes en el universo, así como en tecnología como el GPS. El equipo de investigación resolvió esta diferencia rápidamente para este tipo de experimento, en aproximadamente 30 minutos de promedio de datos. Después de 90 horas de datos, su precisión de medición fue 50 veces mejor que en cualquier comparación de relojes anterior.
Este es un juego de pelota completamente nuevo, un nuevo régimen en el que se puede explorar la mecánica cuántica en el espacio-tiempo curvo. Si pudiéramos medir el corrimiento al rojo 10 veces mejor que esto, seríamos capaces de ver las ondas de materia completa de los átomos a través de la curvatura del espacio-tiempo. Ser capaz de medir la diferencia de tiempo en una escala tan pequeña podría permitirnos descubrir, por ejemplo, que la gravedad interrumpe la coherencia cuántica, lo que podría explicar por qué nuestro mundo a macroescala es clásico.
Los mejores relojes tienen muchas aplicaciones posibles más allá del cronometraje y la navegación. Los relojes atómicos pueden servir como microscopios para ver vínculos minúsculos entre la mecánica cuántica y la gravedad, como telescopios para observar los rincones más profundos del universo. Se puede usar estos relojes para buscar la misteriosa materia oscura, que se cree que constituye la mayor parte de la materia del universo. 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.
Fuente: https://www.nature.com/articles/s41586-021-04349-7
