Investigadores han construido un reloj atómico que es más preciso y exacto que cualquier otro reloj anterior. Por primera vez, este reloj puede detectar los efectos de la gravedad predichos por la teoría de la relatividad general a escala microscópica. El reloj es la última demostración de que una definición mucho más precisa del segundo oficial es posible y que nuevas aplicaciones de los relojes son factibles.
El reloj atómico más preciso del mundo abre nuevas fronteras en la física
En la incesante búsqueda de la perfección por parte de la humanidad, los científicos han desarrollado un reloj atómico que es más preciso y exacto que cualquier otro reloj creado previamente. El nuevo reloj fue construido por investigadores de JILA, una institución conjunta del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) y la Universidad de Colorado Boulder.
Capaz de permitir una navegación precisa en la vasta extensión del espacio, así como búsquedas de nuevas partículas, este reloj es el último en trascender la mera medición del tiempo. Con su mayor precisión, estos relojes de nueva 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 tecnologías que darán forma a nuestro mundo durante generaciones.
Redefiniendo el segundo
La comunidad científica mundial está considerando redefinir el segundo, la unidad internacional de tiempo, basándose en estos relojes atómicos ópticos de nueva generación. Los relojes atómicos actuales utilizan microondas para medir el segundo al iluminar átomos. Esta nueva generación de relojes ilumina los átomos con ondas de luz visible, que tienen una frecuencia mucho más alta, permitiendo contar el segundo con mayor precisión. Comparados con los relojes de microondas actuales, se espera que los relojes ópticos ofrezcan una precisión mucho mayor para la cronometraje internacional, potencialmente perdiendo solo un segundo cada 30 mil millones de años.
Pero antes de que estos relojes atómicos puedan funcionar con tan alta precisión, necesitan tener una precisión muy alta; en otras palabras, deben ser capaces de medir fracciones extremadamente pequeñas de un segundo. Lograr tanto alta precisión como alta exactitud podría tener vastas implicaciones.
Atrapados en el tiempo
El nuevo reloj de JILA utiliza una red de luz conocida como «rejilla óptica» para atrapar y medir decenas de miles de átomos individuales simultáneamente. Tener un conjunto tan grande proporciona una gran ventaja en precisión. Cuantos más átomos se midan, más datos tiene el reloj para obtener una medida precisa del segundo.
Para alcanzar un rendimiento récord, los investigadores de JILA utilizaron una «red» de luz láser más superficial y suave para atrapar los átomos, en comparación con los relojes de rejilla óptica anteriores. Esto redujo significativamente dos fuentes principales de error: los efectos de la luz láser que atrapa los átomos y los átomos chocando entre sí cuando están demasiado juntos.
Los investigadores describen sus avances en Physical Review Letters.
Midiendo la relatividad en las escalas más pequeñas
Este reloj es tan preciso que puede detectar efectos minúsculos predichos por teorías como la relatividad general, incluso a escala microscópica. Está empujando los límites de lo que es posible en la medición del tiempo.
Jun Ye, físico del NIST y JILA.
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 lentamente pasa el tiempo.
Este nuevo diseño de reloj puede permitir la detección de efectos relativistas en la medición del tiempo a escala submilimétrica, aproximadamente el grosor de un cabello humano. Levantar o bajar el reloj por esa distancia minúscula es suficiente para que los investigadores disciernan un pequeño cambio en el flujo del tiempo causado por los efectos de la gravedad.
Esta capacidad de observar los efectos de la relatividad general a escala microscópica puede cerrar significativamente la brecha entre el reino cuántico microscópico y los fenómenos a gran escala descritos por la relatividad general.
Navegación espacial y avances cuánticos
Los relojes atómicos más precisos también permiten una navegación y exploración más exactas en el espacio. A medida que los humanos se aventuran más en el sistema solar, los relojes necesitarán mantener un tiempo preciso a lo largo de vastas distancias. Incluso pequeños errores en la medición del tiempo pueden llevar a errores de navegación que crecen exponencialmente cuanto más se viaje.
Si queremos aterrizar una nave espacial en Marte con precisión milimétrica, necesitaremos relojes que sean órdenes de magnitud más precisos que los que tenemos hoy en el GPS. Este nuevo reloj es un paso importante hacia hacer eso posible.
Jun Ye
Los mismos métodos utilizados para atrapar y controlar los átomos también podrían producir avances en la computación cuántica. Las computadoras cuánticas necesitan ser capaces de manipular con precisión las propiedades internas de átomos o moléculas individuales para realizar cálculos. El progreso en el control y la medición de sistemas cuánticos microscópicos ha avanzado significativamente este esfuerzo.
Al aventurarse en el reino microscópico donde se cruzan las teorías de la mecánica cuántica y la relatividad general, los investigadores están abriendo la 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 tienen influencia, la exquisita precisión de este reloj promete iluminar algunos de los misterios más profundos del universo.
Estamos explorando las fronteras de la ciencia de la medición. Cuando puedes medir cosas con este nivel de precisión, comienzas a ver fenómenos que solo hemos podido teorizar hasta ahora.
Jun Ye
Vía www.nist.gov
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