Cómo el reloj más preciso del mundo podría transformar la física fundamental

Científicos de Estados Unidos han medido la teoría de la relatividad de Albert Einstein, que sostiene que la gravedad ralentiza el tiempo, en la escala más pequeña jamás vista, demostrando que los relojes funcionan a diferentes velocidades cuando están separados por fracciones de milímetro.

Jun Ye, investigador del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST, por sus siglas en inglés) y la Universidad de Colorado Boulder, dijo a la AFP que el reloj usado era "de lejos" el más preciso construido hasta el momento, y podría allanar el camino para nuevos descubrimientos en mecánica cuántica.

Ye y sus colegas publicaron sus hallazgos el miércoles en la prestigiosa revista Nature, describiendo los avances de ingeniería que les permitieron construir un aparato 50 veces más preciso que su mejor reloj anterior, fabricado en 2010.

Hace más de un siglo, en 1915, Einstein presentó su teoría de la relatividad general, que sostenía que el campo gravitatorio de un objeto gigante distorsiona el espacio-tiempo.

Esto hace que el tiempo transcurra más lentamente a medida que uno se acerca al objeto.

Pero no fue hasta la invención de los relojes atómicos, que marcan el tiempo detectando la transición entre dos estados de energía dentro de un átomo expuesto a una frecuencia particular, que los científicos pudieron probar la teoría.

Los primeros experimentos incluyeron el Grawvity Probe A de 1976, que involucró una nave espacial a 10,000 kilómetros sobre la superficie de la Tierra y mostró que un reloj a bordo era más rápido que su equivalente en la Tierra en un segundo cada 73 años.

Desde entonces, los relojes se han vuelto cada vez más precisos y, por lo tanto, más capaces de detectar los efectos de la relatividad.

Una década atrás, el equipo de Ye estableció un récord al observar el tiempo moviéndose a diferentes velocidades cuando su reloj ultra preciso se movía 33 centímetros más alto.

Teoría del todo

El avance clave de Ye fue trabajar con redes de luz, conocidas como redes ópticas, para atrapar átomos en arreglos ordenados. Con ello se evita que los átomos caigan por la gravedad o se muevan de cualquier manera, lo que podría resultar en una pérdida de precisión.

Dentro del nuevo reloj de Ye hay 100,000 átomos de estroncio, superpuestos unos encima de otros como una pila de panqueques hasta un total de aproximadamente un milímetro de altura.

El reloj es tan preciso que cuando los científicos dividieron la pila en dos, pudieron detectar diferencias en el tiempo en las mitades superior e inferior.

Con este nivel de precisión, los relojes actúan básicamente como sensores.

"El espacio y el tiempo están conectados", dijo Ye. "Y con una medición del tiempo tan precisa, puedes ver cómo está cambiando el espacio en tiempo real: la Tierra es un cuerpo animado y vivo".

Estos relojes distribuidos por una región volcánicamente activa podrían indicar a los geólogos la diferencia entre roca sólida y lava, lo que ayudaría a predecir erupciones.

O, por ejemplo, estudiar cómo el calentamiento global está provocando el derretimiento de los glaciares y el aumento de los océanos.

Sin embargo, lo que más emociona a Ye es que los relojes futuros podrían marcar un comienzo completamente nuevo del ámbito de la física.

El reloj actual puede detectar diferencias de tiempo en 200 micras, pero si eso se redujera a 20 micras podría comenzar a medir el mundo cuántico, ayudando a cerrar las brechas de la teoría.

Si bien la relatividad explica maravillosamente cómo se comportan los objetos grandes como los planetas y las galaxias, es famosa su incompatibilidad con la mecánica cuántica, que se ocupa de lo muy pequeño y sostiene que todo puede comportarse como una partícula y una onda.

La intersección de los dos campos llevaría a la física un paso más cerca de una "teoría del todo" unificadora que explica todos los fenómenos físicos del cosmos