Durante casi un siglo, los físicos teóricos se han esforzado por reconciliar la relatividad general de Einstein con la teoría cuántica de campos, el marco que describe las partículas subatómicas y sus interacciones. Tal teoría de unificación de sueños de la física contemporánea se llama gravedad cuántica.
En principio, cualquier cosa que tenga masa o energía siente y produce gravedad. No hay razón para suponer que eso sería diferente en los niveles atómico y subatómico. La búsqueda de efectos de la relatividad general a las distancias más pequeñas posibles, por debajo del tamaño de un átomo, es fundamental para formular modelos de gravedad cuántica consistentes.
Dado que la gravedad es una fuerza de atracción, el primer intento sería proponer un experimento que midiera la atracción gravitacional entre dos átomos y algunos materiales o la Tierra. El problema es que el electromagnetismo es la fuerza dominante a nivel atómico y las fuerzas fuerte y electrodébil gobiernan el núcleo. Estas fuerzas eclipsan la gravedad por completo, lo que dificulta las observaciones sobre cómo las partículas fundamentales experimentan la gravedad.
Muchos Se han propuesto pruebas inteligentes de gravedad cuántica.pero ninguno de ellos ha tenido éxito todavía.
En un artículo publicado la semana pasada en Nature, Tobias Bothwell y sus colaboradores informaron haber medido la dilatación del tiempo —una predicción de la relatividad general— debida a la gravedad en relojes atómicos a una escala pequeña sin precedentes y con una precisión notable.
La dilatación del tiempo significa que los relojes marcan a diferentes velocidades según la intensidad de la gravedad en su entorno. Cuanto más fuerte es la gravedad, más lento avanza el reloj. El tiempo irá más lento para un reloj cercano a la Tierra y más rápido para uno más alejado de la Tierra.
Este efecto ha sido probado con éxito en grandes distancias. Por ejemplo, en 1971, Hafele y Keating llevaron relojes de alta precisión en un vuelo comercial y observaron diferencias entre el reloj basado en un avión y el reloj basado en tierra que eran consistentes con la relatividad especial y general.
Un ejemplo destacado que se encuentra actualmente en uso es el GPS. Debido a que los satélites están más lejos de la Tierra que nosotros, sus relojes funcionan más rápido que los nuestros. Por esta razón, para que el GPS sea preciso, las computadoras necesitan corregir el tiempo para compensar este efecto. El caso extremo de dilatación del tiempo sería un reloj dentro de un agujero negro. Según la relatividad general, ¡los relojes lo suficientemente cerca de un agujero negro se detendrían por completo!
Dado que el efecto a nivel atómico podría ser extremadamente pequeño, se requieren mediciones de alta precisión. Aquí es donde los relojes atómicos son útiles. Los relojes atómicos no necesitan mostrar atracción gravitatoria; ¡solo necesitan decir la hora!
¿Cómo hacen eso los átomos? La luz viaja en el espacio como ondas electromagnéticas. La frecuencia de la luz representa el número de ondas que pasan por un punto en un segundo. Cada elemento de la tabla periódica (siempre) reacciona a frecuencias particulares, pasando de un estado de energía a un estado de energía excitado. relojes atómicos “marcan” de acuerdo con la frecuencia de luz de microondas que necesitan para saltar a un estado excitado, con una precisión notable. ¡El error esperado de un reloj atómico es aproximadamente un segundo cada cien millones de años!
Sin embargo, dominar la técnica experimental para usar esta propiedad de los átomos para medir la dilatación del tiempo a pequeña escala ha sido extremadamente desafiante.
Investigación previa dirigido por CW Chou midió con éxito la dilatación del tiempo cerca de la Tierra utilizando relojes atómicos de aluminio separados verticalmente por 33 cm.
En esta novedosa investigación, Bothwell y su equipo atraparon alrededor de 100 000 átomos de estroncio (los usaron como relojes atómicos) en una cámara de vacío, ultraenfriándolos a menos de un grado Celsius por encima del cero absoluto (100 nano kelvin). Usaron láseres para organizar los relojes atómicos en una columna de capas separadas por un milímetro (aproximadamente el grosor de una tarjeta de crédito). Obtuvieron un claro gradiente de tasas de ticks, lo que corrobora la predicción de Einstein en la naturaleza a distancias milimétricas.
Todavía no conocemos la naturaleza del tiempo. Aún así, sin embargo, los científicos logran usar el tiempo con elegancia para probar la gravedad con el alto potencial de decirnos más sobre la gravedad cuántica.
Referencias
Bothwell, T., Kennedy, CJ, Aeppli, A., Kedar, D., Robinson, JM, Oelker, E., Staron, A. y Ye, J. (2022). Resolviendo el corrimiento al rojo gravitacional a través de una muestra atómica a escala milimétrica. Naturaleza, 602 (7897), 420–424. https://doi.org/10.1038/s41586-021-04349-7
Imagen destacada: Los investigadores de JILA midieron la dilatación del tiempo, o cómo el tictac de un reloj atómico variaba según la elevación, dentro de esta diminuta nube de átomos de estroncio. Crédito: JACOBSON/NIST.