Nuestros relojes más precisos están probando un principio clave de la teoría de la relatividad de Einstein: la idea de que el tiempo no es absoluto. Cualquier violación de este principio podría indicarnos una teoría largamente buscada que uniría las ideas de Einstein con la mecánica cuántica.
La relatividad especial estableció que las leyes de la física son las mismas para dos observadores cualesquiera que se muevan a una velocidad constante uno respecto del otro, una simetría llamada invariancia de Lorentz. Una de las consecuencias es que observarían que los relojes del otro van a ritmos diferentes. Cada observador se consideraría a sí mismo como inmóvil y vería el reloj del otro observador como lento, un efecto llamado dilatación del tiempo.
La relatividad general de Einstein agrava el efecto. Dice que los relojes funcionarán de forma diferente si experimentan fuerzas gravitacionales distintas.
Durante dos décadas, la comparación de los relojes atómicos a bordo de los satélites GPS con los de la Tierra ha ayudado a comprobar el efecto, y siempre lo ha confirmado. Pero como cualquier desviación de la relatividad sería muy sutil, podríamos necesitar un instrumento más preciso para encontrarla.
La mayoría de los relojes atómicos se basan en la frecuencia de la radiación de microondas emitida cuando los electrones de los átomos de cesio-133 cambian de estado energético. Los relojes de nueva generación que utilizan átomos de estroncio tienen al menos tres veces más precisión, apenas ganan o pierden un segundo a lo largo de 15.000 millones de años.
Ahora, Pacôme Delva, del Observatorio de París, y sus colegas, han utilizado relojes de estroncio para comprobar la dilatación del tiempo. Se utilizaron dos enlaces de fibra óptica, uno entre Londres y París y otro entre París y Braunschweig (Alemania), para comparar los dispositivos de estos lugares.
Estos relojes se mueven a diferentes velocidades debido a su posición en la superficie de la Tierra, y la relatividad hace predicciones precisas sobre el grado de dilatación del tiempo que experimentan. Por ejemplo, un reloj más cercano al ecuador debería funcionar más lentamente que uno más cercano al Polo Norte. Al cabo de un día, los relojes de París y Londres deberían mostrar una diferencia de 5 nanosegundos.
Para compararlos, el equipo sincronizó los láseres con la frecuencia de la radiación de los átomos de estroncio de cada reloj. A continuación, transmitieron los haces por los enlaces de fibra óptica, lo que les permitió superponer los láseres para detectar cualquier diferencia de frecuencia que indicara que un reloj iba más rápido que el otro.
Con las mediciones, el equipo calculó un parámetro llamado alfa, que debería ser cero si no hay violación de la invariancia de Lorentz. Los últimos resultados muestran que alfa es inferior a 10-8, un resultado dos órdenes de magnitud mejor que el de los experimentos con relojes de cesio, y dos veces más preciso que el mejor límite anterior, obtenido mediante el estudio de las transiciones electrónicas en iones de litio que se mueven a un tercio de la velocidad de la luz (arxiv.org/abs/1703.04426v1).
Dejar que los experimentos se desarrollen durante más tiempo mejorará aún más la precisión, afirma el miembro del equipo Jochen Kronjäger, del Laboratorio Nacional de Física del Reino Unido en Teddington.
Hasta aquí todo bien para la relatividad. Pero, ¿cómo reaccionarían los físicos si alguna vez se midiera una violación de la invariancia de Lorentz? "La consecuencia inmediata sería que nadie lo creería", dice Sabine Hossenfelder, teórica del Instituto de Estudios Avanzados de Frankfurt (Alemania).
Sin embargo, si alguna vez se confirma una violación, las implicaciones serían enormes. "Cuantizar la gravedad, [la naturaleza de] la materia oscura y la energía oscura son tres grandes cuestiones para las que las violaciones de la invariancia de Lorentz serían una pista extremadamente importante sobre la naturaleza de la teoría subyacente", afirma.
Este artículo apareció en la prensa con el título "Networked atomic clocks seek untimely behaviour"; New Scientist, 2017.
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Nuestros relojes más precisos están probando un principio clave de la teoría de la relatividad de Einstein: la idea de que el tiempo no es absoluto. Cualquier violación de este principio podría indicarnos una teoría largamente buscada que uniría las ideas de Einstein con la mecánica cuántica.
La relatividad especial estableció que las leyes de la física son las mismas para dos observadores cualesquiera que se muevan a una velocidad constante uno respecto del otro, una simetría llamada invariancia de Lorentz. Una de las consecuencias es que observarían que los relojes del otro van a ritmos diferentes. Cada observador se consideraría a sí mismo como inmóvil y vería el reloj del otro observador como lento, un efecto llamado dilatación del tiempo.
La relatividad general de Einstein agrava el efecto. Dice que los relojes funcionarán de forma diferente si experimentan fuerzas gravitacionales distintas.
Durante dos décadas, la comparación de los relojes atómicos a bordo de los satélites GPS con los de la Tierra ha ayudado a comprobar el efecto, y siempre lo ha confirmado. Pero como cualquier desviación de la relatividad sería muy sutil, podríamos necesitar un instrumento más preciso para encontrarla.
La mayoría de los relojes atómicos se basan en la frecuencia de la radiación de microondas emitida cuando los electrones de los átomos de cesio-133 cambian de estado energético. Los relojes de nueva generación que utilizan átomos de estroncio tienen al menos tres veces más precisión, apenas ganan o pierden un segundo a lo largo de 15.000 millones de años.
Ahora, Pacôme Delva, del Observatorio de París, y sus colegas, han utilizado relojes de estroncio para comprobar la dilatación del tiempo. Se utilizaron dos enlaces de fibra óptica, uno entre Londres y París y otro entre París y Braunschweig (Alemania), para comparar los dispositivos de estos lugares.
Estos relojes se mueven a diferentes velocidades debido a su posición en la superficie de la Tierra, y la relatividad hace predicciones precisas sobre el grado de dilatación del tiempo que experimentan. Por ejemplo, un reloj más cercano al ecuador debería funcionar más lentamente que uno más cercano al Polo Norte. Al cabo de un día, los relojes de París y Londres deberían mostrar una diferencia de 5 nanosegundos.
Para compararlos, el equipo sincronizó los láseres con la frecuencia de la radiación de los átomos de estroncio de cada reloj. A continuación, transmitieron los haces por los enlaces de fibra óptica, lo que les permitió superponer los láseres para detectar cualquier diferencia de frecuencia que indicara que un reloj iba más rápido que el otro.
Con las mediciones, el equipo calculó un parámetro llamado alfa, que debería ser cero si no hay violación de la invariancia de Lorentz. Los últimos resultados muestran que alfa es inferior a 10-8, un resultado dos órdenes de magnitud mejor que el de los experimentos con relojes de cesio, y dos veces más preciso que el mejor límite anterior, obtenido mediante el estudio de las transiciones electrónicas en iones de litio que se mueven a un tercio de la velocidad de la luz (arxiv.org/abs/1703.04426v1).
Dejar que los experimentos se desarrollen durante más tiempo mejorará aún más la precisión, afirma el miembro del equipo Jochen Kronjäger, del Laboratorio Nacional de Física del Reino Unido en Teddington.
Hasta aquí todo bien para la relatividad. Pero, ¿cómo reaccionarían los físicos si alguna vez se midiera una violación de la invariancia de Lorentz? "La consecuencia inmediata sería que nadie lo creería", dice Sabine Hossenfelder, teórica del Instituto de Estudios Avanzados de Frankfurt (Alemania).
Sin embargo, si alguna vez se confirma una violación, las implicaciones serían enormes. "Cuantizar la gravedad, [la naturaleza de] la materia oscura y la energía oscura son tres grandes cuestiones para las que las violaciones de la invariancia de Lorentz serían una pista extremadamente importante sobre la naturaleza de la teoría subyacente", afirma.
Este artículo apareció en la prensa con el título "Networked atomic clocks seek untimely behaviour"; New Scientist, 2017.
Informe de Anil Ananthaswamy
Artículo: https://arxiv.org/pdf/1703.04426v1.pdf