NeoFronteras

Einstein vuelve a tener razón

Área: Física — lunes, 22 de febrero de 2010

Un experimento realizado con una precisión 10.000 mayor que los anteriores confirma la validez de la Relatividad General.

trayectorias_atomicas
Trayectorias (no a escala) de los haces de cesio con sus oscilaciones asociadas. Fuente: Nature.

La Física es el paradigma de ciencia experimental, es el ejemplo típico utilizado en todos los tratados de epistemología. En ciencia unos modelos se suceden a otros y, sobre todo en la Física, engloban a los antiguos. Así por ejemplo, la Relatividad, en sus modalidades de Relatividad Especial y General, engloba a la Mecánica newtoniana. Sólo cuando las velocidades son cercanas a la de la luz la Mecánica de Newton y la Relatividad Especial difieren, ganando ésta última. En el mundo cotidiano de bajas velocidades las dos teorías proporcionan los mismos números, los mismos resultados. Aunque siempre podemos recurrir a un acelerador de partículas para comprobar los efectos relativistas con bastante precisión.
Algo similar se puede decir de la gravedad, es difícil ver diferencias entre la gravedad newtoniana y la Relatividad General si las masas implicadas son pequeñas. Pero en este caso “pequeño” puede significar una masa planetaria. Si queremos ver cruces o anillos de Einstein tenemos que apuntar nuestros telescopios a sistemas galácticos o esperar a un eclipse de sol para ver cómo cambian las posiciones relativas de las estrellas cuando el Sol curva el espacio que hay entre ellas y nosotros. Por tanto, probar con precisión la Relatividad General es bastante difícil.
En los últimos tiempos, debido a los efectos atribuidos a la masa oscura y a la energía oscura, se ha propuesto que quizás dichas entidades no existan y que lo que haya que hacer es modificar la Relatividad General para explicar esos efectos. Entonces, habría que sustituir esta teoría por otra teoría mejor que la englobe. Incluso se han hecho diversas propuestas teóricas al respecto. Esto se ve además alimentado porque se necesita mucha precisión en experimentos realizados en tierra para poder distinguir los efectos de la Relatividad General (RG).
Ahora, un nuevo experimento de interferometría de haces atómicos ha comprobado la Relatividad General con una precisión 10.000 veces mejor de la que se tenía anteriormente, demostrando que, de momento, Einstein sigue teniendo razón.
Según Holger Müller, de la Universidad de Berkeley, el resultado muestra, una vez más, que la teoría de Einstein describe el mundo real. Según Müller el experimento demuestra, en concreto, que la gravedad cambia el flujo del tiempo, un concepto fundamental en RG. El fenómeno se denomina corrimiento al rojo gravitacional debido a que las longitudes de onda de la luz se alargan por efecto de la gravedad.
Para realizar el experimento Müller y sus colaboradores se han valido de una propiedad cuántica: que las partículas materiales llevan asociadas una onda. Así por ejemplo, la onda asociada a los átomos de cesio que se mueven en el haz de este experimento oscila con una frecuencia de 3×1025 veces por segundo.
Cuando este haz de átomos cesio superenfriados (cerca del cero absoluto) entra en el banco experimental se encuentra con un pulso láser cuidadosamente sintonizado. Según las reglas de la Mecánica Cuántica cada átomo de cesio entra en dos realidades alternativas. En una el láser lo empuja hacia arriba una diezmilésima de milímetro, dándole un pequeño empujón. Esta distancia, aunque es minúscula a la escala humana, es muy grande a la escala atómica. En la segunda el átomo permanece inmutable dentro del pozo gravitatorio terrestre, en donde el tiempo transcurre más lentamente, pues según la RG el tiempo es distinto para distintas alturas sobre el campo gravitatorio terrestre (para su vecino de arriba el tiempo transcurre más rápidamente que para usted). Las longitudes de onda y frecuencias de ambos casos difieren ligeramente debido a esta diferencia temporal.

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Parte del banco experimental con el que se ha realizado el experimento. Fuente: Damon English, UC Berkeley.

Se puede decir entonces que se producen “dos haces” de átomos en vuelo, uno levemente por encima del otro (separados una diezmilésima de milímetro) y con trayectorias ligeramente curvadas que sufren distinta intensidad de campo gravitatorio terrestre, aunque desde el punto de vista de la Mecánica Cuántica forman una única entidad. Sin embargo, ambas trayectorias deben interferir entre sí (se pueden hacer incluso experimentos de interferencia con sólo una partícula) y producir un patrón de interferencia similar al que produce la luz.
Como es muy difícil de medir la frecuencia de las ondas de materia del haz del cesio, estos investigadores se valieron de la interferencia entre las ondas de materia de los dos tipos descritas anteriormente. Al igual que un interferómetro óptico crea patrones de interferencia entre ondas luminosas, un interferómetro atómico crea patrones de interferencia entre las ondas de materia de haces atómicos. Como la materia oscila muy rápidamente, y sus longitudes de ondas asociadas son muy pequeñas, un sistema así puede usarse para medir distancias o tiempos mucho más pequeños que con la luz.
La RG predice exactamente cómo de despacio debe pasar el tiempo para los estados de “átomos inferiores” respecto a los “superiores”, necesitándose una precisión de una parte en 100 millones. Esto exige una precisión 10.000 mayor que la usada en los experimentos de hace 30 años, cuando dos relojes atómicos sincronizados se desfasaban cuando a uno ellos se le lanzaba a gran altura con un cohete.
Los átomos del experimento sufrieron una caída libre de 0,3 segundos de duración y las ondas de materia que estaban a una altura mayor (ver diagrama) sintieron una diferencia de tiempo 2×10-20 segundos respecto a las que estaban un poco más abajo. Debido a la alta frecuencia, y a que el interferómetro era capaz de medir distancias muy cortas, el experimento podía medir con una precisión de 9 dígitos, lo que equivale a medir diferencias de tiempo de 10-28 segundos (tómese el lector una pausa para recapacitar sobre este número).
Aunque este resultado tiene implicaciones teóricas, también las tiene prácticas, algo que hasta hace poco nadie lo hubiera creído. El sistema GPS usa ya correcciones relativistas y si queremos aún más precisión se deberá tener en cuenta este otro efecto. Si en el sistema GPS usamos el mejor reloj atómico con una precisión de 17 dígitos, se puede determinar la posición con una exactitud de un milímetro, pero si elevamos el reloj un metro sobre el suelo (en donde la gravedad es más débil) su exactitud decae en un dígito. Así que, si queremos mejores relojes, necesitamos conocer mejor la influencia de la gravedad, según dice Müller.
Según este investigador, otra implicación importante de este resultado es que demuestra la profunda perspicacia de Einstein acerca de que la gravedad es una manifestación de la curvatura del espacio-tiempo, que es uno de los descubrimientos más grandes de la humanidad.
Müller está ya construyendo un interferómetro atómico aún más preciso con la esperanza de medir el mismo efecto con un milímetro de separación. Si lo consigue quizás pueda encarar el reto de hacerlo con un metro de distancia. Si pueden separar haces atómicos un metro de distancia y hacerlos interferir entre sí podrían incluso medir la famosas y esquivas ondas gravitatorias. Algo que tendrían que realizar en un lugar especialmente aislado, como las minas de Dakota del Sur en donde ya se realizan experimentos de Física.

Copyleft: atribuir con enlace a http://neofronteras.com/?p=3016

Fuentes y referencias:
Nota de prensa de la Universidad de Berkeley.
Artículo original en Nature (resumen).

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

  1. Joabbl:

    Hay algo que no entiendo. Si en el experimento la diferencia de altura entre los átomos es 1 diezmilésima de milímetro y se ha logrado medir la diferencia de gravedad para esa altura, ¿por qué es más difícil hacerlo a 1 metro, donde la diferencia gravitatoria ha de ser mayor? Supongo que tendrá más que ver con limitaciones en la implementación del experimento…

    Saludos

  2. NeoFronteras:

    La razón es que no son dos trayectorias independientes, sino que ambas trayectorias forman una superposición de esos dos estados. Es un estado que es una superposición de dos. Pero mantener esa superposición sin que se colapse a uno de ellos es muy difícil. Cuanto mayor sea esa distancia más difícil será mantener la coherencia del sistema.

  3. Joabbl:

    Ya entiendo. Gracias, Neo

  4. lluís:

    Este experimento es de una precisión extraordinaria.Y resultaría fascinante que se pudiera realizar con un metro de separación, y para poner la guinda al pastel medir las esquivas ondas gravitatorias. Dar por fin con ellas, sería de premio Nobel. De todos modos y a pesar de que Einstein sigue ganando batallas y de que la teoría geométrica de la gravedad einsteniana “describe el mundo real”; no es menos cierto que la MC también describe el “mundo real”, así que tenemos “dos realidades” y esto no puede ser. En este aspecto estamos donde estábamos, sin una teoría de la gravedad cuántica. Y no faltan teorías que dicen que la gravedad podría no existir. Lo cierto es que la gravedad es consecuencia de que parece que vivimos en un mundo con tres dimensiones espaciales; por ejemplo, con menor dimensionalidad podría ser una ilusión.

  5. tomás:

    Amigo lluís: Tu comentario me lleva a dos temas que me inquietan, aunque en distinta medida. El primero es si la realidad es una. Lo creemos así como artículo de fe. No sé si es posible demostrarlo o definir la realidad de forma que pueda serlo. Si la defino tal como hago con el Universo: “Conjunto de todo lo que existe, perceptible o no”, de alguna manera identifico uno y otro concepto, aunque parece que en mi mente, la realidad aparece como algo más próximo y el Universo lo concibo de manera que la distancia de algunos objetos hace imposible tener noticia de ellos.
    Por otra parte, tu última frase, me lleva a mi problema con el tiempo. Tengo bastante claro cómo la humanidad ha podido confundirse y tomar el tiempo como una entidad real en sí misma y no como una simple medida de la realidad del movimiento de los objetos; es decir, un artificio físico-matemático. Lo que sucede es que todos los casos son compatibles con un tiempo real. (Aún hay uno que espero investigar pronto en el que tengo cierta esperanza) Pero la realidad es que, fuera de ese, no se me ocurre forma alguna que pruebe su inexistencia. Muchas veces he pensado si esa no podría ser la solución a la unificación de la MC y la RG, pero son meras ráfagas que recorren mi mente, sin más trascendencia. Solo que tu frase “una dimensión menos” ha vuelto a disparar mi idea y me ha llevado a esos temas fundamentales que son como arenas movedizas, donde todo apoyo es engañoso.
    Un cordial saludo.

  6. NeoFronteras:

    Estimado Luis:
    Pues sí, no deja de ser paradójico que las dos teorías estén cada día mejor comprobadas y sin embargo sean, de momento, incompatibles entre sí.

  7. NeoFronteras:

    Estimado Tomás:
    Su primera inquietud es la que ha torturado a muchos filósofos desde desde que Platón introdujo el mito de la caverna. No tiene demasiada solución sin caer en algún tipo de nihilismo. Aunque desde el punto de vista positivista sólo lo observable existe.

    Sobre lo segundo que menciona, pues no se sabe lo que es el tiempo. Si lo supiéramos quizás resolveríamos muchos de nuestros problemas, salvo el de contar con más del que nos es dado.

  8. tomás:

    Gracias, Neo, por tu comentario. Pero no temas por mi nihilismo. (Supongo utilizas el térmico como no admitir base firme alguna en que apoyar el conocimiento). Una de mis realidades está en mí, como en Descartes, aunque soy menos exigente, más crédulo, y puedo añadir cualquier actividad como “Percibo, siento, sé, incluso corro (claro, porque lo percibo), etc., luego existo”. Por tanto no se trata de dudar de una realidad. Mi problema está en si hay más de una. Pero tampoco puedo admitir que sólo lo observable exista. El argumento que me lo indica es que el magnetismo, por ejemplo, existe desde siempre sin que haya sido observado hasta hace muy pocos miles de años. Así, tampoco soy positivista.
    Y respecto al tiempo, no es su naturaleza lo que me preocupa sino su existencia. Si no será un producto de la mente, una falacia útil pero sin realidad alguna.
    En esas estoy. Un cordial saludo.

  9. NeoFronteras:

    Apreciado Tomás:
    Mencioné lo de nihilismo porque si uno se pone a pensar al final termina dudando de todo, incluso del “cogito ergo sum”. Todo lo que sabemos o percibimos es, al fin y al cabo, actividad eléctrica en las neuronas de nuestro cerebro. No podemos estar seguros de nada.
    Los filósofos se han encargado de definir “existencia” y sus consecuencias sin llegar a muchos acuerdos, así que no vamos a tener éxito aquí.
    Hay que ir a lo práctico para poder avanzar. Y una manera es afirmar la existencia de algo sólo si eses algo es observable. Puede que existan otras cosas no observables, pero por definición no nos afectan, así que no hay que tenerlas en cuenta desde el punto de vista científico y, sobre todo, práctico.

    Existe una entidad de naturaleza desconocida a la que llamamos tiempo, que es medible, y por tanto existe para nosotros. Otra cosa es el tiempo psicológico, que no tiene que coincidir con el que miden los relojes.

    Que el tiempo físico sea o no fundamental es algo que está bajo debate científicos y que ha producido cierta confusión. Puede que el tiempo sea una propiedad emergente que provenga de algo más fundamental (por eso algunos físicos dicen que no existe) o, por el contrario, es fundamental a la estructura de la realidad (últimamente parece que esta opción va ganando). En el primer caso podríamos pensar en una analogía como la de un gas, cuya temperatura proviene del movimiento de sus moléculas, aunque éstas últimas no tienen temperatura. La temperatura depende del colectivo y no está en cada uno de los entes que forman el sistema.
    Llámese tiempo o de cualquier otra forma, hay algo que preserva la causalidad y ésto, en nuestro Universo, es fundamental.

    Y puestos a filosofar se podría decir que el tiempo es importante porque es la sustancia del que está hecha nuestras vidas.

  10. tomás:

    Muy estimado Neo: Me convencen varias de tus razones, sobre todo cuando antepones la práctica a todo lo demás. Pero esa afirmación de “Existe una realidad…”, no. No medimos el tiempo, medimos el movimiento, incluso te diría que la “regularidad” de ese movimiento. Aunque pudiera parecerlo, el admitir una regularidad tampoco confirma el tiempo, puesto que hemos comparado dos movimientos, nunca tiempos. Sea cierta o no mi sospecha, para nada me refiero al tiempo psicológico, sino a ese que creemos medir con el reloj.
    Las razones de “propiedad emergente” siempre me ponen en guardia, pero el caso que me expones de la temperatura del gas me parece estupendo y te lo agradezco, porque tiene mucha relación con el tiempo. Puedo considerar que al disminuir la temperatura, el tiempo, (mejor, el movimiento) se hace más lento. Un ejemplo casero; metes un filete en el congelador y su “vida” se alarga porque el movimiento de sus partículas, preciso para que lo invadan microorganismos, el movimiento de y en ellos mismos, se ha hecho mucho más lento.
    Tu última frase no es de mi cuerda, aunque quizá lo haces para consolar mi inquietud. Parece difícil explicar qué es la filosofía para mí. Por favor, no me recuerdes a Hegel cuando dice que “La razón es sustancia…”. Mi pensamiento nada tiene que ver con todo eso. Mi única filosofía es aquella que inicia la inquietud de saber de algo -luego hay que medir-. la que se hace preguntas y resuelve como Godel -luego hay que comprobar a ver si hay alguna excepción-, la que duda del éter por contradictorio -luego hay que demostrar su inutilidad-, la que comprende que MC y RG han de ser una -luego hay que investigar-. Fíjate que, incluso esas preguntas que parecen universales: ¿Por qué, para qué estamos aquí? y otras similares, me tienen sin cuidado.
    Si quieres, lo que dices de “nuestras vidas” es poesía y a ello también soy aficionado, como sabes, pero no es filosofía, o es Hegeliana, que no nos interesa.
    Sí, el tiempo es importante para una de mis convicciones -¿filosóficas?-, la causalidad, pero ¿qué es? o, incluso ¿es?
    Para esta causalidad ¿no bastaría la entropía?.
    No puedes imaginar cuanto agradezco el que me dediques tu tiempo tan preciado y con tanta calidad de materia gris.
    Un muy cordial saludo, amigo maestro.

  11. NeoFronteras:

    ¡Cuidado! La mención a la temperatura es a título de analogía para ilustrar el concepto de emergencia. Una propiedad se dice que es emergente cuando no es reducible a las propiedades o procesos de las partes constituyentes del sistema. El ejemplo típico es la mente, que surge a partir de la interacción de las neuronas, aunque éstas no tengan mente.

    La frase a la que hace referencia es poética no científica ni filosófica.

    La causalidad es muy importante para que Universo tengo un sentido lógico y la entropía no parece proporcionarla. Quizás sería al contrario.

    Las preguntas a las que la ciencia no puede o no debe contestar son del tipo “¿por qué estamos aquí?” o “¿qué propósito tiene nuestra existencia?”, pero sí puede contestar (o intentarlo) a otras del tipo “¿de dónde venimos?”, “¿adónde vamos?” o “¿qué somos?”.

  12. tomás:

    Estimado Neo: Me di cuenta de que, por tu parte, era una analogía pero ya hacía tiempo que había relacionado temperatura con movimiento -no de la forma acostumbrada- al separarlo del dudoso tiempo. Es decir, sigue siendo analogía en tu escrito pero, al ser la temperatura una medida del movimiento, hay una relación muy significativa con lo que busco; tú no hiciste más que, por medio de esa analogía, confirmar esa relación, lo que, para mí, es muy importante.
    Sobre la desconfianza cuando alguien me habla de “propiedad emergente” es debida a que, quien no tiene los conceptos claros, -el presumir de tenerlos yo sería vanidad- se defiende adjudicando esa propiedad a un conjunto de relaciones reales o imaginarias. Creo que me conoces ya lo suficiente para saber que no se me ocurre dudar de los tuyos. ¿Es precisa la complejidad para alcanzar la emergencia? Compara el concepto final, p. e. temperatura, con los de sus causas: partículas, movimiento, energía. Bueno, es un tema propicio a considerar. ¿Podemos decir que emerge control -concepto final- de la asociación de un calefactor y un termostato o no sería propio aquí “emerger”? Te agradecería una opinión.

    Estamos de acuerdo en la calificación de la frase como poética; basta comparar lo que ambos decimos.

    Puede ser que la entropía sea una consecuencia de la existencia del Universo,pero ¿acaso no lo es tiempo, o espacio-tiempo?. Sin embargo tú no dices exactamente eso sino “La causalidad es importante para que el Universo tenga un sentido lógico y la entropía no parece proporcionarlo. Quizás sería al contrario.”
    Es un tema digno de ser meditado pero ¿no te parece que lo mismo sucede con el tiempo? Es fundamental el antes y el después pero ¿por qué hemos de adjudicar un sentido exclusivamente temporal a esos conceptos? Supongo conoces la opinión de Rey Pastor respecto al orden del conjunto de los números. Bueno, pues algo así.

    En cuanto a las preguntas fundamentales, tienes toda la razón. Nada que objetar.

    Un cordial saludo y otra vez gracias por ayudarme a pensar.

  13. tomás:

    En mi última frase del párrafo 2º de mi comentario 12 te ruego una opinión. Esta noticia se va a cerrar casi de inmediato.
    Posiblemente la consideres una simpleza, pero me interesa mucho ua opinión versada.
    Si puedes hacerlo y eres tan amable te lo agradecería.
    Un cordial saludo.

  14. NeoFronteras:

    Supongo que se refiere a la frase: “¿Podemos decir que emerge control -concepto final- de la asociación de un calefactor y un termostato o no sería propio aquí “emerger”? Te agradecería una opinión.”

    Eso sería, más bien, un sistema retroalimentado. Para tener un sistema complejo con propiedades emergentes normalmente se necesitan muchos “agentes”: las hormigas de un hormiguero, las termitas de una colonia, los peces de un banco, las personas de una sociedad, etc.

  15. tomás:

    Muchas gracias por tu amabilidad. Era preciso descartar lo simple.
    Posiblemente, en la complejidad se escondan relaciones desconocidas. ¡Mira que si Einstein hubiera tenido razón cuando hablaba de variables ocultas!
    Tendré que volver sobre esos temas en cuanto disponga de tiempo.

    Un cordial saludo.

  16. NeoFronteras:

    ¡De nada, apreciado Tomás!
    En cuanto a la variables ocultas Einstein se equivocó, como se equivocó en menospreciar la Mecánica Cuántica durante décadas.

    Un saludo.

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