NeoFronteras

Demuestran la dilatación temporal de la Relatividad General a la escala de los centímetros y a velocidades de pocas decenas de km/h.

Los instrumentos más precisos con los que cuenta la humanidad son los relojes atómicos. Su precisión es ya tal que permiten demostrar la existencia de diferencias en el paso del tiempo si hay una diferencia de altura de unos centímetros. Unos experimentos los han usado para estudiar dos escenarios predichos por la relatividad einsteniana.
El primer tipo de experimento consistió en dos relojes sujetos al mismo campo gravitatorio pero situados a distinta altura. La Relatividad General nos dice cómo se comporta el espacio-tiempo en presencia de masas (o masa-energía-momento). De este modo ya todos sabemos que el espacio se curva en presencia de esas masas y que esa curvatura es la que determina lo que llamamos gravedad. A nivel divulgativo muchas veces se olvida mencionar la parte “temporal” de ese espacio-tiempo curvado. Otra característica de la presencia de masas es que el transcurso del tiempo varía según nos encontremos más lejos o más cerca de una masa. De este modo, una persona que viva en las montañas tendría que ver cómo su reloj adelanta respecto al reloj de una persona que viva a nivel del mar.
Este efecto es grande en sitios como los agujeros negros (un observador cayendo a uno de ellos podría ver cómo el Universo llega a su fin en lo que para él serían unos momentos), pero es un efecto inapreciable en la Tierra. De hecho, sólo se pudo medir por primera vez (en los años setenta) usando los relojes atómicos más precisos del momento y una diferencia de altura de miles de metros.
Ahora, físicos del NIST (National Institute of Standards and Technology) han medido este efecto con una diferencia de altura de sólo 33 cm. Con lo se demuestra directamente que uno envejece más rápido si sube un peldaño de una escalera. Eso sí, la diferencia temporal es muy muy pequeña. Esa diferencia de altura proporcionaría a lo largo de una vida humana (79 años) un diferencia temporal de sólo 90 milmillonésimas de segundo.
Además de este efecto los investigadores del NIST han podido medir otro efecto: que el tiempo pasa más despacio si nos movemos rápido. Algo ya predicho por la Relatividad Especial. Generalmente se asume que para que este efecto sea apreciable esa velocidad debe ser cercana a la de la luz. Pero en este caso ha bastado una velocidad de sólo unos 35 kilómetros por hora, una velocidad mucho menor que la alcanzada por un avión a reacción, que fue cómo se midió el efecto con anterioridad. En este caso usaron dos de estos relojes y a uno de ellos se le movió a una velocidad dada respecto a otro produciendo lo que comúnmente se ha denominado como la paradoja de los gemelos.
El factor crucial de la paradoja de los hermanos gemelos, ya que la velocidad es relativa para los dos observadores y por tanto también el transcurso del tiempo, es que uno de ellos sufre una aceleración para alcanzar dicha velocidad (y para frenar) y eso hace que “a la vuelta” sea más joven. En este caso había que acelerar uno de esos relojes hasta los 35 km/h.
Para poder hacer estos dos tipos de experimentos los científicos del NIST usaron dos relojes atómicos basados cada uno de ellos en un solo ión de aluminio que vibra entre dos niveles de energía 10¹⁵ veces por segundo. Uno de estos relojes sólo perdería un segundo de precisión cada 3700 millones de años.
Estos relojes atómicos de aluminio se llaman también llamados relojes cuánticos lógicos porque toman prestado técnicas de decisión lógica de la computación cuántica, actualmente en desarrollo. Son tan precisos que son capaces de revelar pequeñas diferencias de tiempo que hasta ahora eran imposibles de apreciar. Operan mediante un láser que ilumina el ión con una longitud de onda en la gama visible, que corresponde a una frecuencia mucho mayor que la correspondiente a las microondas que se habían utilizado hasta ahora.
Estos experimentos, aunque tienen un valor académico y una capacidad de producir asombro indiscutible tienen además un indudable valor práctico. Este tipo de comparaciones pueden ser útiles en geodesia, permitiendo medidas geográficas y del campo gravitatorio (se podrían levantar mapas gravimétricos). También serían útiles en Hidrología, Geofísica e incluso Climatología.
Lo más interesante, desde el punto de vista fundamental, sería su uso en experimentos espaciales que permitieran comprobar teoría físicas fundamentales.
Los científicos del NIST esperan mejorar aún más la precisión de este tipo de relojes. Esperan multiplicar por 10 su precisión cambiando la geometría de la trampa de iones empleada y controlando el movimiento del ión y las interferencias ambientales.
La meta es que se pueda medir las diferencias temporales de manera reproducible cuando la diferencia de alturas sea de sólo 1 cm (ya observan estos efectos para 1 mm o menos). Esto ya permitiría su uso en geodesia de alta precisión. Los autores de este trabajo sugieren que una red de diversos relojes de este tipo permitiría medir en tiempo real la distancia de distintos puntos de la superficie terrestre al centro gravitatorio terrestre.
El resultado tiene una componente no solamente tecnológica o académica, sino también filosófica. Demuestra que la Relatividad es algo tangible, evidente a escala cotidiana y recuerda a la gente que lo experimentan todos los días en su vida normal y que no solamente es una curiosidad de experimentos extremos.
A partir de ahora no hará falta referirse a esos experimentos de los setenta en lo que se usaron cohetes y aviones a reacción. Es ya un buen ejemplo para los profesores que enseñen Física Moderna a los chiquillos en las escuelas.

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Fuentes y referencias:
Nota de prensa.
Artículo original.
Ilustración: Loel Barr para NIST