Los físicos imaginan un día en el que podrán diseñar un reloj que sea tan preciso que pueda detectar la materia oscura.
Los físicos imaginan un día en el que podrán diseñar un reloj tan preciso que se utilizará para detectar sutiles perturbaciones en el espacio-tiempo o para encontrar la elusiva materia oscura que tira de todo y no emite luz. El tic-tac de este reloj será casi perfecto.
Ese sueño puede no estar muy lejos: un grupo de investigadores ha creado un reloj que, con algunos ajustes, podría ser de cuatro a cinco veces más preciso que los mejores relojes del mundo. Para poner eso en perspectiva, si los relojes más precisos de hoy en día comenzaran a hacer tictac en el nacimiento del universo, estarían atrasados solo medio segundo hoy; con más mejoras, este nuevo reloj tiene el potencial de estar apagado en solo 0.1 segundos.
“Los relojes atómicos son, con mucho, los instrumentos más precisos que la humanidad haya fabricado en muchos órdenes de magnitud”, dijo Vladan Vuletić, profesor de física en el MIT y autor principal de un artículo reciente que describe el trabajo. Ahora, “estamos empujando más este límite”, agregó.
Los relojes atómicos marcan según el movimiento de los átomos . Desde la década de 1960, los relojes atómicos que son responsables de mantener la hora global y definir “un segundo” se basan en átomos de cesio ; Estos relojes bombardean los átomos de cesio con microondas y miden el tiempo a medida que los electrones oscilan desde un nivel de energía más bajo (llamado estado fundamental) a uno más alto (un estado excitado), informó Live Science anteriormente .
En la última década, los investigadores han desarrollado “relojes ópticos” que son 100 veces más precisos que los relojes atómicos de cesio. Estos relojes utilizan láseres, o luz visible, para excitar átomos de elementos como el aluminio o el iterbio ; la luz visible tiene una frecuencia más alta que las microondas y, por lo tanto, puede excitar a los átomos para que oscilen 100.000 veces más rápido de lo que las microondas pueden excitar los átomos de cesio. Esta oscilación más rápida agrega más puntos de datos a la medición de un segundo, haciéndola más precisa. Pronto, habrá una “redefinición oficial del segundo” utilizando estos relojes ópticos mucho más precisos, dijo Vuletić a WordsSideKick.com.
La incertidumbre
Pero incluso estos relojes atómicos ópticos casi impecables no pueden medir el tiempo a la perfección, porque son víctimas de las reglas de la mecánica cuántica, las extrañas reglas que gobiernan el zoológico de partículas subatómicas. Los átomos que hacen funcionar el reloj son tan pequeños que sus estados no se pueden precisar con precisión, por lo que están definidos por probabilidades. Por lo tanto, un electrón no está en un estado excitado o en un estado fundamental, pero tiene alguna probabilidad de estar en múltiples niveles de energía a la vez.
Tratar de medir el estado de un solo átomo es similar a lanzar una moneda, ya que la medición real “obliga” al átomo a elegir el estado fundamental o el estado excitado, pero “nunca se encuentra algo intermedio”, dijo Vuletić. Esta incertidumbre en la medición hace que sea imposible decir la hora perfecta. Cuando aumenta la cantidad de átomos en el reloj (que se puede considerar como la cantidad de lanzamientos de moneda) y comienza a tomar el promedio de cuántos están excitados y cuántos no, las mediciones comienzan a ser más precisas.
Cuantos más átomos agregue, menor será su error de medición o incertidumbre, lo que se conoce como el “límite cuántico estándar”. Debido a que la precisión de la medición se escala como la raíz cuadrada del número de lanzamientos de monedas, lanzar 10,000 monedas es 10 veces más preciso que lanzar 100, por ejemplo, dijo Vuletić.
Es por eso que los relojes ópticos actuales miden el tiempo promediando las oscilaciones de miles de átomos. Pero incluso ese método no puede deshacerse del límite cuántico estándar. Hace una década, Vuletić y su equipo, junto con investigadores de la Universidad de Belgrado en Serbia, tuvieron una idea de cómo superar esta limitación: enredar las partículas. Entrelazamiento cuántico– o “acción espeluznante a distancia”, como la llamó Albert Einstein – es la idea de que los destinos de las partículas diminutas están vinculados entre sí incluso si están separados por largas distancias. Entonces, al enredar los átomos que mantienen el tiempo, los científicos podrían mantener cada par o grupo de átomos entrelazados en el mismo estado y, por lo tanto, oscilar a frecuencias similares, lo que permite que el reloj supere el límite cuántico estándar y mida el tiempo con mayor precisión. .
“Enredar los átomos hace que los lanzamientos sean menos aleatorios, por así decirlo”, dijo Vuletić. “El lanzamiento de cada átomo individualmente sigue siendo aleatorio, pero todos los lanzamientos juntos tienen menos aleatoriedad que los de los átomos independientes”. Es similar a colocar 100 monedas en una mesa, 50 cara arriba y 50 cruz arriba. Si coge una moneda sin mirar, será cara o cruz al azar. Pero una vez que recoja todas las monedas, habrá exactamente el mismo número de caras y cruces. “El entrelazamiento cuántico es un poco así”, dijo.
Ahora han puesto a prueba su idea.
Para hacer esto, Vuletić y su equipo colocaron 350 átomos de iterbio entre dos espejos. Luego, dispararon un rayo láser que rebotó de un lado a otro entre los espejos. Cuando la luz golpeó el primer átomo, el átomo alteró la luz. Esa luz luego alteró el segundo átomo, y luego el tercero y luego el resto, hasta que todos se enredaron y comenzaron a oscilar con fases similares. Luego, el equipo usó otro láser para medir la frecuencia promedio a la que estos átomos oscilaban.
Un láser golpea los átomos y los enreda;
un segundo láser mide sus vibraciones.(Crédito de la imagen: MIT News / Cortesía de los investigadores)
Cuando el equipo realizó dos experimentos, uno con átomos entrelazados y otro sin ellos, descubrieron que los átomos entrelazados podían medir el tiempo con la misma precisión, pero cuatro veces más rápido. También encontraron que cuando los dos relojes medían la misma cantidad de tiempo, el reloj entrelazado era más preciso.
Aún así, el equipo tiene que hacer algunos ajustes. El láser que usaron actualmente no es tan estable como hubieran esperado, dijo Vuletić, por lo que el reloj “no está al nivel de rendimiento de los mejores relojes que no usan entrelazamiento”. Sin embargo, con ajustes en el láser, el uso de átomos entrelazados tiene el potencial de hacer que los relojes ópticos sean mucho más precisos.
En el futuro, el equipo también quiere demostrar que al usar más de un reloj atómico, “puedes hacer que esta ventaja que obtuviste del entrelazamiento cuántico sea aún mejor”, dijo Vuletić. Con el tiempo, es posible que tenga varios relojes en largas distancias que utilicen entrelazamiento y digan la hora que es aún más precisa, agregó.
Los relojes extremadamente precisos pueden eventualmente tener aplicaciones más allá de decir la hora. “El tiempo depende de la gravedad “, dijo Vuletić, refiriéndose a la idea de que debido a la relatividad , los objetos masivos (que tienen una fuerza gravitacional más alta) deforman el espacio-tiempo, ralentizando el tiempo.
Por lo tanto, si tiene dos relojes y levanta uno de ellos 1 pie (0,3 metros) más alto, “en estas dos alturas, el tiempo en realidad corre de manera diferente”. A medida que estos relojes se vuelven más precisos, podrían usarse para detectar cómo cambia el tiempo, detectando así efectos gravitacionales sutiles en el universo, como ondas en el espacio-tiempo conocidas como ondas gravitacionales. Debido a que la materia oscura también ejerce una atracción gravitacional, los cambios mínimos en el paso del tiempo podrían revelar la naturaleza de la materia oscura que nos rodea, dijo.
Incluso se especula que las llamadas constantes absolutas en el mundo de la física, como la velocidad de la luz o la carga de los electrones, pueden cambiar a medida que el universo se expande. Y debido a que estas constantes definen las leyes de la física que gobiernan los niveles de energía en un átomo, también pueden cambiar la medición del tiempo, dijo. Por tanto, es posible que “la esencia misma del tiempo cambie a medida que el universo se expande”.
Los hallazgos aparecen en la edición del 16 de diciembre de la revista Nature .
