Un experimento realizado con una precisión 10.000 mayor que los anteriores confirma la validez de la Relatividad General.
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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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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 [1]
Fuentes y referencias:
Nota de prensa de la Universidad de Berkeley. [2]
Artículo original en Nature (resumen). [3]