NeoFronteras

La relatividad comprobada una vez más

Área: Física — Miércoles, 21 de noviembre de 2007

Comprueban la dilatación temporal con una precisión 10 veces mejor que los experimentos realizados anteriormente, colocando límites a la fiabilidad del Modelo Estándar de partículas.

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Anillo de almacenamiento utilizado para el experimento. Foto: Instituto Max Planck.

En las novelas de ciencia ficción se plantea a veces el viaje en el tiempo hacia el futuro. El planteamiento típico se centra en un señor que viaja en una nave espacial a velocidades relativistas, es decir, cercanas a la velocidad de la luz, y cuando regresa de un viaje que le ha parecido corto han pasado décadas o siglos en la Tierra. Esto es predicho por la Relatividad Espacial, que hace un par de años cumplió un siglo desde que fue propuesta por Albert Einstein. Desde entonces el efecto de la dilatación temporal se ha comprobado en reiteradas ocasiones con bastante éxito. La primera vez que se consiguió comprobar bien la dilatación temporal fue ya en 1938 con sólo 1% de error.
Durante este tiempo se han propuesto modificaciones a la teoría. Así, una de las explicaciones que se da a la asimetría entre materia y antimateria en el Universo es la basada en la violación del teorema CPT, que dice que en los fenómenos físicos se deben de conservar carga, paridad y dirección temporal como un todo. La violación de la CPT implicaría además que las ecuaciones del Modelo Estándar de partículas, y basadas en la Relatividad Espacial, serían incompletas.
Gerald Gwinner de University of Manitoba (Canada) junto a otros investigadores de varias instituciones alemanas ha realizado unos experimentos con una precisión 10 veces mejor que los anteriormente realizados en los que no aparece ninguna desviación respecto a la teoría.
Por desgracia, aunque podríamos contar con muchos voluntarios dispuestos a llevar un reloj a un viaje interestelar, no disponemos de una nave espacial que alcance velocidades relativistas para poder comprobar la dilatación temporal. Nos tenemos que conformar con partículas o átomos y acelerarlos en un acelerador de partículas hasta una velocidad lo suficientemente alta (en otros experimentos se pueden alcanzan velocidades relativistas sin problemas).
Gwinner y sus colaboradores han utilizado grupos de átomos litio 7 ionizados (deben de estar ionizados para poder ser acelerados usando campos electromagnéticos) y una técnica láser de espectroscopia por saturación para medir la dilatación temporal. Estos grupos de iones se introdujeron a gran velocidad en el anillo de almacenamientos magnético que el Instituto Max Planck tiene en Heidelberg.

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Esquema del experimento. Foto: Instituto Max Planck.

Los iones de Litio 7 tiene una transición electrónica entre dos niveles de energía, cuando el ión en estado de reposo cambia del estado de mayor energía al de menor, emite el exceso de energía en forma de un fotón con una frecuencia de 546 THz. En este experimento esto hace las veces de “reloj dentro de la nave espacial”. La dilatación temporal cambia la frecuencia de los fotones emitidos o absorbidos por los iones de litio relativistas.
Si se ilumina a los iones con un láser se provoca su excitación y suben a un nivel de energía superior para así hacerlos “fluorescer”. Al poco tiempo reemiten fotones con frecuencias específicas en todas las direcciones al recuperar su estado original. La dilatación temporal se puede medir midiendo la desviación en frecuencia de estos fotones.
La técnica está limitada en precisión debido a que no todos los iones se mueven a la misma velocidad y en la misma dirección dentro del grupo. Sus velocidades se distribuyen a lo largo de un conjunto de velocidades. Para impedir esta fuente de error los investigadores dispusieron de un segundo láser que, aunque también les hacia “fluorescer”, aquellos centrados en la distribución de velocidades se saturaban produciendo una caída en el espectro. De este modo se “marcaba” a los iones con una velocidad específica.
Hicieron viajar a los grupos de iones a una velocidad del 3% y 6.4% de la velocidad de la luz y pudieron comprobar la dilatación temporal con una precisión 10 veces mejor que la conseguida en experimentos anteriores realizados con GPS. De hecho comprobaron la Relatividad Especial con una precisión de una parte en diez millones.
Con el nivel de precisión alcanzado no se han podido encontrar pruebas de la nueva Física más allá del Modelo Estándar, quizás haya que esperar a otros experimentos más precisos.
En todo caso tendremos que esperar mucho más hasta dispongamos de naves espaciales relativistas y emular a los iones de litio de este experimento, aunque quizás un viaje hacia el futuro sólo sirva para comprobar que el pasado era mucho mejor, un pasado al que ya nunca podríamos retornar.

Fuentes y referencias
Physical Review Letters. 9119(19):403, 2003 Nov 7.
Nota de prensa en University of Manitoba.
Sobre el experimento.
Sobre invariancia CPT y dilatación temporal.
Physicsworld.

Salvo que se exprese lo contrario esta obra está bajo una licencia Creative Commons.
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2 Comentarios

  1. lluís:

    Cuando dicen que “en otros experimentos se pueden alcanzar velocidades relativistas sin ningún problema”, ¿a que experimentos se refieren?, ¿qué fue lo que se aceleró a tales velocidades? Por otro lado, ¿no sucede que a velocidades relativistas la masa tiende a infinito, con lo cual se necesitaría una energía infinita?

  2. NeoFronteras:

    En cualquier acelerador de partículas se alcanzan velocidades relativistas muy cercanas a la velocidad de la luz. Un ejemplo puede ser el LHC que entrará en funcionamiento el año que viene. Naturalmente hay que alimentarlos con energía (sobre todo porque mucha de ella la pierden al moverse en círculos) y sólo aceleran a unas cuantas partículas.
    Lo de la masa infinita es sólo una metáfora que pretende ilustrar que cada vez se necesita más energía para aumentar la velocidad de un objeto que se mueve a velocidades relativistas.

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