Ciencia.-Un reloj tan exacto que puede detectar efectos de la Relatividad

Científicos han desarrollado un reloj atómico tan preciso y exacto que permite una navegación precisa en la vasta extensión del espacio, así como la búsqueda de nuevas partículas.

El nuevo reloj fue construido por investigadores de JILA, una institución conjunta del National Institute of Standards and Technology (NIST) y la Universidad de Colorado en Boulder.

Con su mayor precisión, estos cronometradores de próxima generación podrían revelar depósitos minerales subterráneos ocultos y poner a prueba teorías fundamentales como la Relatividad General con un rigor sin precedentes.

Para los arquitectos de relojes atómicos, no se trata solo de construir un reloj mejor; se trata de desentrañar los secretos del universo y allanar el camino para las tecnologías que darán forma a nuestro mundo para las generaciones venideras.

La comunidad científica mundial está considerando redefinir el segundo, la unidad internacional de tiempo, basándose en estos relojes atómicos ópticos de próxima generación. Los relojes atómicos de la generación actual hacen brillar microondas sobre los átomos para medir el segundo. Esta nueva generación de relojes ilumina átomos con ondas de luz visible, que tienen una frecuencia mucho más alta, para contar los segundos con mucha más precisión.

ATRASA UN SEGUNDO CADA 30.000 MILLONES DE AÑOS

En comparación con los relojes de microondas actuales, se espera que los relojes ópticos proporcionen una precisión mucho mayor para el cronometraje internacional, con un retraso potencial de solo un segundo cada 30.000 millones de años.

Pero antes de que estos relojes atómicos puedan funcionar con tanta precisión, necesitan tener una precisión muy alta; en otras palabras, deben poder medir fracciones de segundo extremadamente pequeñas. Lograr tanto una alta precisión como una gran exactitud podría tener enormes implicaciones.

El nuevo reloj JILA utiliza una red de luz conocida como «red óptica» para atrapar y medir decenas de miles de átomos individuales simultáneamente. Tener un conjunto tan grande proporciona una enorme ventaja en precisión. Cuantos más átomos se midan, más datos tendrá el reloj para obtener una medición precisa del segundo.

Para lograr un nuevo récord de rendimiento, los investigadores de JILA utilizaron una «red» de luz láser más superficial y suave para atrapar los átomos, en comparación con los relojes de red óptica anteriores. Esto redujo significativamente dos fuentes principales de error: los efectos de la luz láser que atrapa los átomos y los átomos que chocan entre sí cuando están demasiado apretados.

Los investigadores describen sus avances en un artículo que ha sido aceptado para su publicación en Physical Review Letters. El trabajo está actualmente disponible en el servidor de preimpresión de arXiv.

EFECTOS A ESCALA MICROSCÓPICA

«Este reloj es tan preciso que puede detectar pequeños efectos predichos por teorías como la relatividad general, incluso a escala microscópica», dijo en un comunicado Jun Ye, físico del NIST y JILA. «Está ampliando los límites de lo que es posible con el cronometraje».

La relatividad general es la teoría de Einstein que describe cómo la gravedad es causada por la deformación del espacio y el tiempo. Una de las predicciones clave de la relatividad general es que el tiempo mismo se ve afectado por la gravedad: cuanto más fuerte es el campo gravitatorio, más lento pasa el tiempo.

Este nuevo diseño de reloj puede permitir la detección de efectos relativistas en el cronometraje a escala submilimétrica, aproximadamente el grosor de un cabello humano. Para que los investigadores puedan discernir un cambio minúsculo en el flujo del tiempo causado por los efectos de la gravedad, basta con subir o bajar el reloj en esa minúscula distancia.

Esta capacidad de observar los efectos de la relatividad general a escala microscópica puede salvar de forma significativa la brecha entre el reino cuántico microscópico y los fenómenos a gran escala descritos por la relatividad general.

Los relojes atómicos más precisos también permiten una navegación y exploración más precisas en el espacio. A medida que los seres humanos se adentren más en el sistema solar, los relojes deberán mantener un tiempo preciso en grandes distancias. Incluso los errores minúsculos en el cronometraje pueden dar lugar a errores de navegación que crecen exponencialmente cuanto más lejos se viaja.

«Si queremos que una nave espacial aterrice en Marte con una precisión milimétrica, vamos a necesitar relojes que sean órdenes de magnitud más precisos que los que tenemos hoy en el GPS», dijo Ye. «Este nuevo reloj es un gran paso para hacer eso posible».

Los mismos métodos utilizados para atrapar y controlar los átomos también podrían producir avances en la computación cuántica. Las computadoras cuánticas deben ser capaces de manipular con precisión las propiedades internas de átomos o moléculas individuales para realizar cálculos. El progreso en el control y medición de sistemas cuánticos microscópicos ha hecho avanzar significativamente esta tarea.

Al aventurarse en el reino microscópico donde se cruzan las teorías de la mecánica cuántica y la relatividad general, los investigadores están abriendo una puerta a nuevos niveles de comprensión sobre la naturaleza fundamental de la realidad misma. Desde las escalas infinitesimales donde el flujo del tiempo se distorsiona por la gravedad, hasta las vastas fronteras cósmicas donde la materia oscura y la energía oscura dominan, la exquisita precisión de este reloj promete iluminar algunos de los misteriors más profundos del universo.