Esta vez fue la parte de desplazamiento al rojo gravitacional de la Relatividad general; y la rigurosidad? ¡Una asombrosa mejor de una parte en 100 millones!
¿Cómo superaron Steven Chu (Secretario de Energía de EE. UU., Aunque este trabajo se realizó mientras estaba en la Universidad de California Berkeley), Holger Müler (Berkeley) y Achim Peters (Universidad de Humboldt en Berlín) superaron la mejor prueba de desplazamiento al rojo gravitacional anterior (en 1976, utilizando dos relojes atómicos, uno en la superficie de la Tierra y el otro enviado a una altitud de 10.000 km en un cohete) por unas asombrosas 10.000 veces?
¡Por la dualidad y superposición de onda-partícula explotadas dentro de un interferómetro atómico!
Sobre esta figura
: Esquema de cómo funciona el interferómetro atómico. Las trayectorias de los dos átomos se trazan como funciones del tiempo. Los átomos se están acelerando debido a la gravedad y las líneas oscilatorias representan la acumulación de fase de las ondas de materia. Las flechas indican los tiempos de los tres pulsos láser. (Cortesía: Naturaleza).
El desplazamiento al rojo gravitacional es una consecuencia inevitable del principio de equivalencia que subyace a la relatividad general. El principio de equivalencia establece que los efectos locales de la gravedad son los mismos que los de estar en un marco de referencia acelerado. Por lo tanto, la fuerza hacia abajo que siente alguien en un elevador podría deberse igualmente a una aceleración hacia arriba del elevador oa la gravedad. Los pulsos de luz enviados hacia arriba desde un reloj en el piso del elevador se desplazarán hacia el rojo cuando el elevador acelere hacia arriba, lo que significa que este reloj parecerá más lento cuando se comparen sus destellos en el techo del elevador con otro reloj. Debido a que no hay forma de diferenciar la gravedad y la aceleración, lo mismo será cierto en un campo gravitacional; en otras palabras, cuanto mayor sea la atracción gravitacional experimentada por un reloj, o cuanto más cerca esté de un cuerpo masivo, más lentamente hará tictac.
La confirmación de este efecto respalda la idea de que la gravedad es geometría, una manifestación de la curvatura del espacio-tiempo, porque el flujo del tiempo ya no es constante en todo el universo, sino que varía según la distribución de los cuerpos masivos. Explorar la idea de la curvatura del espacio-tiempo es importante al distinguir entre diferentes teorías de la gravedad cuántica porque hay algunas versiones de la teoría de cuerdas en las que la materia puede responder a algo diferente a la geometría del espacio-tiempo.
El desplazamiento al rojo gravitacional, sin embargo, como una manifestación de la invariancia de posición local (la idea de que el resultado de cualquier experimento no gravitacional es independiente de dónde y cuándo se lleva a cabo en el universo) es el menos confirmado de los tres tipos de experimento que Apoyar el principio de equivalencia. Los otros dos, la universalidad de la caída libre y la invariancia local de Lorentz, se han verificado con precisiones de 10-13 o mejor, mientras que el desplazamiento al rojo gravitacional se había confirmado previamente solo con una precisión de 7 × 10-5.
En 1997, Peters usó técnicas de captura láser desarrolladas por Chu para capturar átomos de cesio y enfriarlos a unas pocas millonésimas de grado K (para reducir su velocidad lo más posible), y luego usó un rayo láser vertical para impartir una patada ascendente a los átomos para medir la caída libre gravitacional.
Ahora, Chu y Müller han reinterpretado los resultados de ese experimento para medir el desplazamiento al rojo gravitacional.
En el experimento, cada uno de los átomos fue expuesto a tres pulsos láser. El primer pulso colocó al átomo en una superposición de dos estados igualmente probables, ya sea dejándolo solo para desacelerar y luego volver a caer a la Tierra bajo el tirón de la gravedad, o dándole una patada adicional para que alcanzara una altura mayor antes de descender. Luego se aplicó un segundo pulso en el momento justo para empujar el átomo en el segundo estado más rápido hacia la Tierra, haciendo que los dos estados de superposición se encuentren en el camino hacia abajo. En este punto, el tercer pulso midió la interferencia entre estos dos estados provocada por la existencia del átomo como una onda, la idea es que cualquier diferencia en el desplazamiento al rojo gravitacional experimentado por los dos estados existentes en alturas de diferencia sobre la superficie de la Tierra se manifestaría como Un cambio en la fase relativa de los dos estados.
La virtud de este enfoque es la frecuencia extremadamente alta de la onda de Broglie de un átomo de cesio, unos 3 × 1025Hz. Aunque durante los 0.3 s de caída libre, las ondas de materia en la trayectoria más alta experimentaron un tiempo transcurrido de solo 2 × 10-20s más que las ondas en la trayectoria inferior, la enorme frecuencia de su oscilación, combinada con la capacidad de medir las diferencias de amplitud de solo una parte en 1000, significaron que los investigadores pudieron confirmar el desplazamiento al rojo gravitacional con una precisión de 7 × 10-9.
Como dice Müller: "Si el tiempo de caída libre se extendiera a la edad del universo (14 mil millones de años), la diferencia de tiempo entre las rutas superior e inferior sería solo una milésima de segundo, y la precisión de la medición sería ser 60 ps, el tiempo que tarda la luz en viajar alrededor de un centímetro ".
Müller espera mejorar aún más la precisión de las mediciones de desplazamiento al rojo al aumentar la distancia entre los dos estados de superposición de los átomos de cesio. La distancia alcanzada en la investigación actual fue de solo 0.1 mm, pero, según él, al aumentar esto a 1 m debería ser posible detectar ondas gravitacionales, predichas por la relatividad general pero aún no observadas directamente.
Fuentes: Physics World; el documento está en la edición del 18 de febrero de 2010 de Nature
