viernes, 19 de febrero de 2010

Una nueva prueba muchísimo más precisa del corrimiento al rojo gravitacional de Einstein

Mientras que los experimentos con cohetes y aviones han demostrado que la gravedad hace que los relojes marchen más despacio -una predicción central de la teoría de la relatividad de Albert Einstein-, un nuevo experimento, en un interferómetro de átomos, mide esta desaceleración con una precisión 10.000 veces mayor que cualquiera anterior, y se verifica que es exactamente lo que Einstein predijo.

Holger Müller, profesor asistente de física en la Universidad de California, Berkeley, autor del experimento de confirmación. (Crédito>: Damon Inglés / UC Berkeley).

Sobre Einstein, relatividad y paradigmas de turno (puede saltearse este recuadro si solo está interesado en la noticia).

Cada vez que una noticia como esta se hace pública, creo que Einstein, si hay un cielo y el está ahí, debe esbozar una sonrisa burlona pero comprensiva, ante la nueva confirmación (y van...) de su teoría, al menos antes que el inexorable avance del conocimiento haga tambalear sus postulados y consecuencias, no por malos, no por equivocados, sino porque así son las cosas, así es el destino de los modelos: ser superados por otros más abarcativos que los anteriores, en un salto hacia sintesis mayores alcanzadas a través de nuevos descubrimientos, experimentos, instrumentos y cálculos.

Y Einstein, desde su cielo, mientras mira de reojo el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) y la próxima generación de telescopios terrestres y espaciales, lo sabe, ya conoce el modus operandis de la evolución científica, por eso su sonrisa burlona, ni sobradora ni omnipotente. Y lo sabe bien en carne propia, porque él mismo fue protagonista en su época, en su "año milagroso" de 1905, y después en 1915, de la gestación de la nueva ciencia, así como antes Newton tuvo su propio annus mirabilis durante su retiro forzado por la peste en Wollsthorpe, su pueblo natal. El sabe que el gran Isaac no estaba equivocado, que su física de "bajas velocidades" es un caso particular de la nueva física, que sigue vigente y gozando de buena salud, y que la física que lo siguió pasará por el mismo proceso.

De hecho, los conflictos y problemas irresueltos de la física y la astronomía hacen que hoy presenciemos -parafraseando a Galileo- un tenso "diálogo entre las dos grandes teorías del mundo", entre la cuántica y la relatividad general ("negociación" que involucra gravedad cuántica, cuerdas, materia oscura, agujeros negros, bosón de Higgs...), en la búsqueda de una solución que termine abarcándolas en una nueva síntesis, una teoría única del todo o "final" (elijan ustedes el término más ostentoso y triunfalista que quieran, yo prefiero ser más prudente y hablar de nueva teoría a secas, sin apelar a términos como "todo", "final" o "santo grial", para no caer en una soberbia que ha sido recurrente en el pasado). Pero al margen de la búsqueda de ese nuevo paradigma, todavía la relatividad sigue firme en su reino. Y esta noticia habla de una nueva confirmación de ese reinado. Elevemos entonces las copas y celebremos con un brindis esta buena nueva, y no se vayan, que la fiesta de Einstein todavía está en su apogeo.

Me queda como cierre destacar la gran ironía: para esta confirmación de la teoría de la relatividad se ha usado... la mecánica cuántica. Un guionista de Hollywood no lo podría haber hecho mejor.

El resultado muestra una vez más lo bien que la teoría de Einstein describe el mundo real, dijo Holger Müller, profesor asistente de física en la Universidad de California, Berkeley.

"Este experimento demuestra que la gravedad cambia el flujo del tiempo, un concepto fundamental en la teoría de la relatividad general", dijo Müller. El fenómeno es a menudo llamado el corrimiento al rojo gravitacional debido a que las oscilaciones de las ondas de luz reducen su velocidad o se hacen más rojas cuando son tironeadas por la gravedad.

Un reporte que describe la experiencia aparece en la edición del 18 de febrero de la revista Nature.

Tratando las partículas como ondas

Müller probó la teoría de Einstein, aprovechando uno de los principios de la mecánica cuántica: que la materia tiene un comportamiento dual, puede "ser", según el caso, según el experimento, tanto una partícula como una onda. Los átomos de cesio utilizados en el experimento pueden ser representados por ondas de materia que oscilan 3x1025 veces por segundo.

Cuando la onda de materia del átomo de cesio entra en el experimento, se encuentra con un cuidadosamente preparado destello de luz láser. Las leyes de la mecánica cuántica intervienen, y cada átomo de cesio entra en dos realidades alternas, señaló Müller. En una, el láser ha impulsado el átomo una décima de milímetro, dándole un pequeño impulso fuera del campo gravitacional de la Tierra. En la otra, el átomo permanece inmóvil dentro de la gravedad de la Tierra, donde el tiempo pasa volando pero menos rápidamente.

Si bien la frecuencia de las ondas de materia de cesio es demasiado alta para ser medida, Müller y sus colegas utilizaron la interferencia entre esas ondas en las realidades alternas para medir la diferencia resultante entre sus oscilaciones, y por tanto el desplazamiento al rojo.

Las ecuaciones de la relatividad general predicen con precisión la desaceleración de tiempo medida, con una exactitud de aproximadamente una parte en 100 millones, 10.000 veces más preciso que las mediciones realizadas hace 30 años con dos relojes máser de hidrógeno, uno en la Tierra y el otro llevado a través de cohetes a una altura de 10.000 kilómetros.

Los espejos y lentes en este banco óptico preparan seis láseres para la captura de átomos fríos en el interferómetro de átomos (en la parte trasera). (Crédito: Damon Inglés / UC Berkeley).

"Dos de las teorías más importantes en toda la física son la Mecánica Cuántica y la Teoría de la Relatividad General", señaló el colaborador de Müller, Steven Chu, un ex profesor de física de la Universidad de Berkeley y ex director del Laboratorio Nacional Lawrence de Berkeley (LBNL). Chu fue uno de los creadores del interferómetro de átomos, que se basa en su desarrollo, ganador del Premio Nobel, de las trampas de láser frío. "El documento que estamos publicando en la revista Nature utiliza dos aspectos fundamentales de la descripción cuántica de la materia para realizar una de las pruebas más precisas de la Teoría de la Relatividad General".

Cronometraje de precisión

Lejos de lo meramente teórico, los resultados tienen implicaciones para el sistema satelital de posicionamiento global de la Tierra (GPS), para el cronometraje de precisión y para los detectores de ondas gravitacionales, dijo Müller.

"Si utilizamos nuestros mejores relojes, con precisión de 17 dígitos, en los satélites de posicionamiento global, podemos determinar la posición al milímetro", dijo. "Pero el ascenso de un reloj de 1 metro produce un cambio en el dígito 16. Así que, como los relojes que utilizamos son cada vez mejores, tenemos que conocer mejor la influencia de la gravedad".

Müller señaló también que el experimento demuestra muy claramente "una visión profunda de Einstein, que la gravedad es una manifestación de la curvatura del espacio y el tiempo, que es uno de los más grandes descubrimientos de la humanidad."

Esta visión significa que lo que pensamos que es la influencia de la gravedad -planetas que orbitan estrellas, por ejemplo, o una manzana que cae a la Tierra- es realmente la materia siguiendo el camino más rápido a través del espaciotiempo. En una geometría plana, la ruta más rápida es una línea recta. Pero en la teoría de Einstein, el flujo del tiempo se convierte en una función de la ubicación, por lo que el camino más rápido ahora podría ser una órbita elíptica o una plomada a la tierra.

Los experimentos han puesto a prueba la teoría en un nivel de precisión mucho más alto, pero las mediciones directas del corrimiento al rojo gravitacional han tenido que luchar con el tamaño mínimo de los efectos en el campo gravitatorio de la Tierra. Estas medidas culminaron en el experimento de 1976 por la NASA y el Observatorio Astrofísico Smithsonian de Harvard usando relojes máser de hidrógeno. Esa precisión es de 7x10-5.

Interferómetros atómicos

Así como un interferómetro óptico utiliza la interferencia de las ondas de luz para medir el tiempo o la distancia dentro de una fracción de una longitud de onda, un interferómetro de átomos utiliza la interferencia de ondas de materia. Debido a que las ondas de materia oscilan a una frecuencia mucho mayor que las ondas de luz, pueden ser utilizadas para medir tiempos y distancias más pequeños.

Las ondas de materia del átomo de cesio oscilan más lentamente a lo largo de la parte inferior del camino porque el campo gravitacional es más fuerte, lo que significa que el tiempo pasa más lentamente. En el experimento, los pulsos de láser golpean la mitad de los átomos 0,1 mm más alto que los demás, un segundo láser los envió en un curso para fusión, y un tercer láser mide la diferencia de fase entre las ondas de materia que se interfieren. (Crédito: revista Nature).

Desde 1991, cuando Chu estaba en la Universidad de Stanford, él y los ex miembros de su laboratorio han utilizado su técnica de enfriamiento y captura de átomos con láser para crear los interferómetros de átomos más precisos. En 1999, uno de esos estudiantes, Achim Peters, ahora en la Universidad Humboldt en Berlín, realizó un experimento sobre los átomos de cesio en caída libre para medir con precisión la aceleración de la gravedad.

Müller, quien fue estudiante de posgrado de Peters en la Universidad Humboldt, posteriormente trabajó en el grupo de Steve Chu en Stanford como investigador postdoctoral, a pesar que Chu dejó Stanford durante ese tiempo para convertirse en el director del LBNL y más tarde secretario de Energía de EE.UU. Después de unirse a la facultad de la Universidad de Berkeley en julio de 2008, Müller asistió a una conferencia sobre la frecuencia y el tiempo de medición, donde se dio cuenta de que los datos experimentales de Peters también podrían dar la medida más precisa del corrimiento al rojo gravitacional. Müller le habló a Chu sobre el experimento y recibió una respuesta entusiasta.

El experimento de Peters involucró la captura de un millón de átomos de cesio en una trampa fría enfriada por láser a unas cuantas millonésimas de grado sobre el cero absoluto y sacudiéndolos con un rayo láser vertical preparado para darles un empujón hacia arriba, con el 50 por ciento de probabilidad. Una fracción de segundo más tarde, un segundo pulso de láser envía ondas de materia de vuelo alto hacia abajo y las estacionarias hacia arriba para combinarse. Un tercer pulso de láser recombina los dos. Midiendo la amplitud de las ondas de materia recombinadas se revela la diferencia de fase entre los dos.

Müller y Chu observaron que la contribución de la masa en reposo a la frecuencia de las oscilaciones de ondas de materia es normalmente ignorada en los cálculos de mecánica cuántica, ya que las frecuencias resultantes son demasiado rápidas para ser medidas. Pero en este experimento, la alta frecuencia "Compton" permitió a una medida sumamente exacta de las diferentes velocidades de reloj.

"En la concepción de esta investigación, nos dimos cuenta que la teoría de la relatividad exige que la energía también incluya la energía debida a la masa en reposo del átomo, dada por la famosa ecuación de Einstein E=mc2", escribió Chu en un e-mail. "La energía debido a la masa en reposo de los átomos es enorme, resultando en un reloj atómico los tics a 3x1025 Hertz."

Caída libre

Durante los aproximadamente 0,3 segundos de caída libre, las ondas de materia sobre la ruta alta sienten que ha transcurrido un poco más de tiempo: sólo 2x10-20 segundos en comparación con la parte inferior de la ruta. Pero debido a la magnitud de la frecuencia de Compton, dijo Müller, oscilaron alrededor de un millón de veces más a menudo. Dado que el interferómetro de átomos podría medir la diferencia dentro de una milésima de una oscilación, el experimento produjo 9 dígitos de precisión. Esto corresponde a la medición de una diferencia de tiempo de 10-28 segundos.

Para poner estas cifras en perspectiva, dijo Müller, "si el tiempo de caída libre se extendiera a la edad del universo, unos 13.700 millones de años, la diferencia de tiempo entre las rutas superior e inferior sería un simple centésimo de segundo, y la precisión de la medida sería de 60 picosegundos, el tiempo que tarda la luz en recorrer aproximadamente media pulgada."

Müller está construyendo interferómetros de átomos aún más precisos, y espera este año poder medir el corrimiento al rojo gravitatorio con una precisión de un milímetro de separación. Un hito futuro será una separación de un metro o más.

"Si pudiéramos separar los átomos un metro, se podría construir un experimento para observar las ondas de gravedad", dijo. Las ondas de gravedad son pequeñas fluctuaciones en la gravedad que se propagan a través del espacio-tiempo teóricamente generadas por las interacciones entre las estrellas masivas o entre agujeros negros.

Para filtrar los ruidos de la gravedad de la Tierra y otras perturbaciones, como un camión pasando, en el experimento tendrían que participar al menos dos interferómetros de átomos separados por una gran distancia. Un lugar ideal para el experimento, dijo, sería el Laboratorio de Ingeniería y Ciencia Subterránea Profunda, de la antigua mina de Homestake, en Dakota del Sur.

La investigación es apoyada por la National Science Foundation, la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea , la Fundación David y Lucile Packard y el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología.




Fuente:
Most precise test yet of Einstein's gravitational redshift (Por Robert Sanders, Media Relations).

Fotografía de Einstein: F. Schmutzer, 1921.

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