Confirmados los efectos de la gravedad sobre el tiempo

Espacio-tiempo

Físicos de Estados Unidos y Alemania han usado dos pilares básicos de la mecánica cuántica para realizar una prueba de alta precisión sobre la Teoría de la Relatividad General de Einstein. Los investigadores aprovecharon la dualidad onda-partícula y la superposición en un interferómetro atómico para demostrar que un efecto conocido como el desplazamiento al rojo gravitatorio — el frenado del tiempo cerca de un cuerpo masivo – sigue siendo cierto hasta una precisión de siete partes en mil millones. El resultado es importante en la búsqueda de una teoría de la gravedad cuántica y podría tener implicaciones prácticas significativas, tales como la mejora en la precisión de los Sistemas de Posicionamiento Global (GPS).

El desplazamiento al rojo gravitatorio se desprende del principio de equivalencia que subyace a la relatividad general. Afirma que los efectos locales de la gravedad son los mismos que aquellos que se sufren en un marco de referencia acelerado. Por lo que la fuerza hacia abajo que siente alguien en un ascensor podría ser igualmente debida a una aceleración hacia arriba del ascensor, o a la gravedad. Los pulsos de luz enviados hacia arriba por un reloj en el suelo del ascensor estarán desplazador Doppler, o desplazados al rojo, cuando el ascensor acelera hacia arriba, lo que significa que el reloj parecerá marcar más lentamente cuando se comparan sus destellos en el techo del ascensor con otro reloj. Debido a que no hay forma de diferenciar la gravedad de una aceleración, se mantiene lo mismo para un campo gravitatorio, en otras palabras, cuanto mayor es el tirón gravitatorio experimentado por un reloj, o más cerca está a un cuerpo masivo, más lentamente marcará.

La confirmación de este efecto apoya la idea de que la gravedad es una manifestación de la curvatura del espacio-tiempo, dado que el flujo del tiempo no es constante en todo el universo, sino que varía de acuerdo a la distribución de cuerpos masivos. Reforzar la idea de la curvatura del espacio-tiempo es importante para distinguir entre las distintas teorías de gravedad cuántica, debido a 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.

Caída libre universal

El desplazamiento al rojo gravitatorio, no obstante, como manifestación de la invarianza de posición local (la idea de que el resultado de un experimento no gravitatorio es independiente de dónde y cuándo se lleve a cabo en el universo) es el 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 de Lorentz, han sido verificados con precisiones de 10-13 o mejores, mientras que el desplazamiento al rojo gravitatorio había sido confirmado anteriormente con una precisión de 7×10-5. Esto se logró en 1976 registrando la diferencia de tiempo medida en dos relojes atómicos – uno en la superficie de la Tierra y otro enviado a 10 000 kilómetros de altitud en un cohete.

Este tipo de medida de desplazamiento al rojo está limitada por el grado de tirón gravitatotio proporcionado por la masa de la Tierra. La nueva investigación, llevada a cabo por Holger Müller de la Universidad de California en Berkeley, Achim Peters de la Universidad Humboldt en Berlín y Steven Chu, anteriormente en Berkeley pero ahora Secretario de Energía de los Estados Unidos, está limitada de la misma forma pero logra mejorar drásticamente la precisión gracias a un reloj ultrasensible proporcionado por la mecánica cuántica.

En 1997 Peters usó 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 tanto como fuese posible), y usó entonces un rayo láser vertical para dar un golpe hacia arriba a los átomos para medir la caída libre gravitatoria.

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

En el experiento, se expuso a cada uno de los átomos a tres pulsos láser. El primer pulso colocó el átomo en una superposición de dos estados igualmente probables — ya sea dejándolo decelerar y que cayese de nuevo a la Tierra bajo el tirón gravitatorio, o dándole un empujón extra para que alcanzase una altura mayor antes de descender. Se aplicó entonces un segundo pulso justo en el momento adecuado, de forma que empujase al átomo del segundo estado más rápido hacia la Tierra, provocando que los dos estados de superposición se encontrasen en el camino. En este punto, el tercer láser medía la interferencia entre los dos estados debido a la existencia del átomo como onda, siendo la idea que cualquier diferencia en el desplazamiento al rojo gravitatorio de estos dos estados en distintas alturas sobre la superficie de la Tierra, se manifestaría como un cambio en la fase relativa de los dos estados.

Frecuencia enorme

La ventaja de esta aproximación es la frecuencia extremadamente alta de la onda de de Broglie para el átomo de cesio — aproximadamente 3×1025 Hz. Aunque durante los 0,3 s de caída libre las ondas de materia sobre la trayectoria superior experimentaron un tiempo de apenas 2×10-20 s más que las ondas de la trayectoria menor, la enorme frecuencia de la oscilación, combinado con la capacidad de medir diferencias de amplitud de apenas una parte en 1000, indican que los investigadores fueron capaces de confirmar el desplazamiento al rojo con una precisión de 7×10-9.

Como comenta 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 de 60 picosegundos, el tiempo que necesita la luz para viajar apenas un centímetro”.

Esta extrema precisión podría ser útil haciendo que el Sistema de Posicionamiento Global sea más fiable. 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 lograda recientemente por 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, tales relojes experimentan una aceleración del tiempo de aproximadamente una parte en 1010 gracias al desplazamiento al rojo gravitatorio. Recuperar la precisión de 10-17 requeriría por 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 el ejemplar de Nature 463 926.


Autor: Edwin Cartlidge
Fecha Original: 17 de febrero de 2010
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Comments (56)

  1. Francisco Ruiz

    percibimos el tiempo por los cambios en la materia y energía, esos cambios son siempre desplazamiento causado por distintas fuerzas.

    ¿el tiempo es una fuerza que provoca cambios o es el resultado de esos cambios?

    si suponemos que el tiempo es consecuencia del movimiento/cambio entonces sí sería posible que en algún punto del espacio, digamos un agujero negro, la materia y la energía estén en reposo absoluto, sin cambios, y por lo tanto el tiempo dejaría de existir o dicho de otra forma, se detendría.

    en cambio, si suponemos que el tiempo es una fuerza que provoca esos cambios, también es posible que se “neutralize” con otras fuerzas, por ejemplo, con la gravedad en un agujero negro, y una vez mas, al estar las fuerzas en equilibrio, el tiempo se detendría.

    otro detalle que me resulta de eso es que al “detenerse” el tiempo, la información se perdería, sin embargo si otra fuerza desequilibra el sistema y este comienza a cambiar se crería nueva información. y el “sentido” de ese nuevo tiempo dependería de la fuerza que desequilibre el sistema.

    pero quizá es mas ficción que ciencia lo que estoy pensando…

    FRV

  2. Adolfo

    Hay una particularidad de las dimensiones físicas (tiempo y espacio, fundamentalmente) que, creo, tendríamos que agradecer: “son uniformes y predecibles con alto grado de precisión”.

    No ocurre así con los patrones climáticos ó las coordenadas geográficas, si a estas últimas se las deja libres un tiempo relativamente largo.

    Atentamente…

  3. Adolfo

    No pienso en el tiempo como en algo que hemos inventado para nuestra conveniencia, sino como en algo difícil de salvar, como en las reacciones químicas en condiciones P-V-T controladas con precisión.

    Atentamente…

  4. Adolfo

    Si “Pienso, luego Existo”, la existencia es la medida del tiempo, desde que el pensar depende de reacciones químicas.

    Atentamente…

  5. Arist, me hacen gracia tus comentarios sobre el tiempo y el curso del tiempo. Me recuerdan al lenguaje que usado por Meliso de Samos.

    De todas formas creo que tienes algunos conceptos mal entendidos: dices que el universo es infinito porque no puede ser NADA. Cuando la idea de Infinito y NAda pueden tomarse como perfectamente equivalentes, en la medida que conocemos las cosas por sus límites, por su determinación. Y lo infinito es lo que no podemos conocer, o sea, Nada. Por ejemplo, conocemos el mar precisamente porque no es infinto. No puedes ponerme al mar como ejemplo de inifnito, porque el mar no lo és: sus costas lo limitan, le dan dimensión y forma

    Pero venga, te sigo el rollo. Dices que el Universo es infinito. Y siendo infinito no se puede expandir. Eso lo encuentro lógico. Pero luego agregas que siendo infinito puede moverse y por tanto, generar tiempo. Esto ya no me parece tan lógico.

    Yo diría que una cosa infinita no puede moverse, porque para que haya movimiento se requiere de limitación, la cual determina el paso de un estado a otro. Y para que haya limitación se requiere: o que algo se limite a sí mismo (hecho que nos lleva a una contradicción) o que haya algo externo que lo limite y actúe como punto de referencia del movimiento.

    Arist, me gusta que intentes razonar las cosas más allá de lo que vemos y tocamos con las manos. Pero me parece que algunos razonamientos no son del todo claros. Quizás deberías pensarlos un poco más.

    Saludos.

    • Francisco Ruiz

      RDC coincido con tu último párrafo,
      Arist me hace recordar un poema de Fernando Delgadillo que dice mas o menos así:
      “esa pregunta debió hacerla antes de irse de la boca, … a tal extremo,
      que en vez de participante del saber, parece el dueño.”

      y es que una cosa es exponer a la concurrencia nuestras propias teorías y otra muy diferente es insistir que conocemos la verdad y que los demás (premios nobel incluidos) están mal…

      FRV

  6. [...] Efectos de la gravedad sobre el tiempo [...]

  7. Antonio Meré

    La gravedad modifica el funcionamiento del reloj atómico, pero no modifica el paso del tiempo. En los relojes satelitales se corrige el número de oscilaciones del cesio en un segundo, pero no la duración del segundo. El tiempo no está definido ni por la gravedad ni por el espacio, el tiempo es la duración de un evento. Y siempre se mide en relación a la duración de otro.

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