Físicos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) de EE UU han comprobado con relojes superprecisos que una persona envejece más rápido si está un par de peldaños más arriba en una escalera. La diferencia es extremadamente pequeña, de mil millonésimas de segundo, según los resultados del estudio que hoy se publica en la revista Science. La investigación podría servir para obtener mediciones más precisas de la Tierra y su campo gravitatorio.
Los científicos saben desde hace décadas que el tiempo transcurre más deprisa a más altura, un aspecto curioso de las teorías de la relatividad de Einstein que ya se había medido antes comparando relojes sobre la superficie de la Tierra y en un cohete en desplazamiento a gran altitud.
Ahora, los físicos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST, por sus siglas en inglés) han medido este efecto a una escala más terrenal de 33 cm y han demostrando, por ejemplo, que se envejece más rápido cuando se está un par de peldaños más arriba de una escalera.
Como se describe en el último número de la revista Science, la diferencia es extremadamente pequeña como para que los humanos la puedan percibir directamente -añadiéndose aproximadamente 90 milmillonésimas de segundo a una vida de 79 años- pero el descubrimiento puede tener aplicaciones prácticas para la geofísica y otras disciplinas.
Los investigadores también han observado otro aspecto de la relatividad: que el tiempo pasa más lentamente cuanto más rápido se mueve una persona –a velocidades comparables a las de un coche viajando a unos 35 Km/h, una escala mucho más comprensible que la de las medidas anteriores hechas con ayuda de aviones a reacción.
El tiempo pasa más lento cuanto más rápido te mueves
Los científicos han realizado estos nuevos experimentos de 'dilatación del tiempo' comparando las mediciones entre un par de los mejores relojes atómicos experimentales del mundo. Estos relojes, casi idénticos, se basan en el “tictac” de un único ión de aluminio (un átomo de aluminio cargado eléctricamente), que vibra entre dos niveles de energía más de mil billones de veces por segundo.
Uno de estos relojes se mantiene en hora con una precisión de un segundo durante unos 3.700 millones de años y el otro dispone de unas prestaciones ligeramente inferiores. Los dos relojes están ubicados en distintos laboratorios del NIST y están conectados entre sí por una fibra óptica de 75 m de longitud.
Los relojes de aluminio -también denominados “relojes lógicos cuánticos” porque utilizan técnicas de toma de decisiones adaptadas de la computación cuántica experimental- son lo tan precisos y estables que revelan pequeñas diferencias que no se habían podido ver hasta ahora. Funcionan lanzando luz láser sobre los iones a frecuencias visibles, mayores que las de microondas que se utilizaban en los actuales relojes atómicos estándar basados en el átomo de cesio.
Los relojes ópticos podrían llegar en un futuro a estándares temporales cien veces más precisos que los de los relojes estándar actuales. Los de aluminio pueden detectar pequeños efectos basados en la relatividad gracias a su extrema precisión y a un alto 'factor Q', una cantidad que refleja la fiabilidad con la que el ión absorbe y retiene la energía óptica al cambiar entre un nivel de energía y otro, según el investigador postdoctoral del NIST James Chin-Wen Chou, primer autor del artículo.
El ‘factor Q’ más alto de la física atómica
“Hemos detectado el factor Q más alto de la física atómica”, afirma Chou. “Se puede pensar en ello estableciendo un análogo con el tiempo que pasaría vibrando un diapasón antes de perder la energía almacenada en su estructura resonante. En nuestro caso, el ión oscila sincronizado con la frecuencia del láser alrededor de unos 400 billones de ciclos”.
Los experimentos se han centrado en dos escenarios predichos por las teorías de la relatividad de Einstein. En el primero, cuando dos relojes están sometidos a fuerzas gravitatorias desiguales debidas a sus distintas altitudes sobre la superficie de la Tierra, el reloj más alto –que experimenta una menor atracción gravitatoria- va más deprisa.
En el segundo, cuando un observador está en movimiento, el tictac de un reloj estacionario parece que dura más, por lo que parece que el reloj va más lento. Los científicos se refieren a este efecto como “la paradoja de los gemelos”, en la que un gemelo que viaja en una nave espacial en rápido desplazamiento regresaría a su base siendo más joven que el otro gemelo. El factor crucial es la aceleración (aceleración y deceleración) del gemelo que viaja mientras realiza el viaje de ida y vuelta.
El equipo del NIST ha observado estos efectos realizando cambios específicos en uno de los dos relojes de aluminio y midiendo las diferencias resultantes en las tasas o frecuencias relativas de hacer tictac de los dos iones.
En una serie de experimentos, los científicos subieron uno de los dos relojes levantando la mesa del láser hasta una altura de un tercio de metro por encima del segundo reloj. Con total seguridad se puede afirmar que el reloj de arriba contaba el tiempo a una tasa ligeramente más rápida que el de abajo, exactamente según lo previsto.
Se confirma la paradoja del gemelo viajero
El segundo conjunto de experimentos examinó los efectos de la alteración del movimiento físico del ión en un reloj (los iones están prácticamente quietos durante el funcionamiento normal del reloj). Los científicos alteraron la posición de un ión de modo que giraba hacia delante y atrás a velocidades equivalentes a varios metros por segundo. Ese reloj hacía tictac a un ritmo ligeramente inferior que el segundo reloj, tal y como predecía la relatividad. El ión en movimiento actúa como el gemelo viajero de la paradoja.
Estas comparaciones entre relojes súper precisos pueden llegar a ser de utilidad en geodesia, la ciencia de la medición de la Tierra y de su campo gravitatorio, con aplicaciones en geofísica e hidrología, y posiblemente en comprobaciones en el espacio de teorías de física fundamental. Así lo apunta el físico Till Rosenband, líder del equipo del reloj de ión de aluminio del NIST.
Los investigadores esperan mejorar la precisión de los relojes de aluminio aún más, hasta en un factor diez, realizando cambios en la geometría de la cápsula del ión y con un mejor control del movimiento del ión y las interferencias ambientales. El objetivo es registrar diferencias en la medición del tiempo lo suficientemente bien como para poder medir altitudes con una precisión de 1 cm, un nivel de funcionamiento adecuado para la toma de medidas geodésicas.
El artículo sugiere que los relojes ópticos podrían estar interconectados para crear una red de “medidores de mareas interiores” para medir la distancia desde la superficie de la Tierra y el geoide (la superficie del campo gravitatorio terrestre que iguala el nivel medio global del mar). Una red de este tipo se podría actualizar con mucha más frecuencia que con las técnicas actuales.
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Referencia bibliográfica:
C.W. Chou, D.B. Hume, T. Rosenband y D.J. Wineland. “Optical Clocks and Relativity”. Science 329, 24 de septiembre de 2010.
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