Las teorías de la relatividad de Albert Einstein, publicadas a principios del siglo XX, cambiaron fundamentalmente la forma en que entendemos el tiempo. Revelaron que el tiempo no es absoluto; en cambio, puede verse afectado por el movimiento; específicamente, los relojes que se mueven rápidamente o se aceleran experimentan un fenómeno conocido como dilatación del tiempo, en el que funcionan más lentamente que los relojes estacionarios. Si bien este efecto se ha observado en objetos relativamente grandes, los investigadores ahora están explorando una forma novedosa de probarlo a una escala increíblemente pequeña utilizando átomos ultrafríos y estructuras basadas en luz.
Preparando el escenario: dilatación del tiempo y física ultrafría
La dilatación del tiempo no es sólo una curiosidad teórica; es un componente central de la física moderna y tiene implicaciones prácticas, como la operación de los satélites GPS, que deben tener en cuenta los efectos relativistas para funcionar con precisión. La comprensión actual es que cuanto más rápido se mueve un objeto o cuanto más fuerte es la aceleración que experimenta, más se ralentiza su tiempo en relación con un observador estacionario. Este principio también se aplica al movimiento circular, lo que significa que moverse en círculo también puede provocar una dilatación del tiempo.
Para investigar estos efectos a nivel cuántico, un equipo dirigido por Vassilis Lembessis de la Universidad Rey Saud está aprovechando el poder de la física ultrafría. A temperaturas de sólo una fracción de grado por encima del cero absoluto (una temperatura increíblemente baja), las propiedades cuánticas de los átomos y las moléculas se vuelven mucho más controlables. Al manipular con precisión átomos y moléculas con láseres y campos electromagnéticos, los científicos pueden explorar los efectos de la rotación y la aceleración con un detalle sin precedentes.
La “noria óptica” y los relojes cuánticos
En 2007, Lembessis y sus colaboradores fueron pioneros en un método para atrapar y rotar átomos dentro de la forma de un cilindro utilizando rayos láser cuidadosamente sintonizados. En broma llamaron a esta estructura “noria óptica”, y su última investigación sugiere que estas pequeñas estructuras podrían proporcionar una plataforma ideal para observar la dilatación del tiempo relativista en el reino cuántico.
En concreto, los investigadores proponen utilizar moléculas de nitrógeno como sujetos de prueba. Ven el movimiento de los electrones dentro de estas moléculas como un “reloj” interno. Al observar las moléculas que giran dentro de la noria óptica, esperan detectar pequeños cambios en la “frecuencia de tictac”, esencialmente, detectar el efecto de la dilatación del tiempo. La precisión potencial de estas mediciones es asombrosa: los investigadores pretenden detectar cambios tan pequeños como una parte en 10 cuatrillones.
Una nueva frontera para las pruebas de relatividad
Si bien el concepto de utilizar norias ópticas es convincente, los experimentos que utilizan estas configuraciones han sido, hasta ahora, relativamente poco comunes. Esta nueva propuesta, por tanto, abre la puerta a un nuevo campo de pruebas para la relatividad, donde podrían surgir efectos previamente inexplorados. La naturaleza cuántica de estas partículas ultrafrías puede incluso desafiar la “hipótesis del reloj” fundamental: la suposición de que la aceleración de un objeto influye directamente en el tiempo percibido.
“Es importante comprobar y confirmar nuestra comprensión de los fenómenos físicos en la naturaleza”, explica Patrik Öhberg de la Universidad Heriot-Watt. “Cuando recibimos una sorpresa, algo inesperado, necesitamos revisar nuestra comprensión y obtener una comprensión más profunda del universo”.
Ventajas y desafíos
Una de las ventajas clave de este enfoque es que evita la necesidad de velocidades excepcionalmente altas, que normalmente se requieren para observar efectos relativistas. Aidan Arnold, de la Universidad de Strathclyde, señala: “Con la increíble precisión de los relojes atómicos… el cambio de hora que ‘sienten’ los átomos de la noria debería ser perceptible”. Además, las cortas distancias recorridas por los átomos durante su rotación brindarían amplias oportunidades para realizar mediciones precisas.
El entorno controlado de la noria óptica promete revelar nuevos conocimientos sobre la interacción entre la mecánica cuántica y la relatividad general.
La investigación no está exenta de obstáculos. Un desafío técnico importante será evitar que los átomos o moléculas se calienten, lo que alteraría su movimiento controlado e invalidaría el experimento. Sin embargo, los científicos creen que las posibles recompensas (una comprensión más profunda de la relatividad a escala cuántica) justifican el esfuerzo. Controlando cuidadosamente los rayos láser, se puede ajustar el tamaño de la noria y, por tanto, la rotación de los átomos, lo que permite probar el efecto de dilatación del tiempo para diferentes velocidades de rotación.
El potencial de este enfoque reside en su capacidad para poner a prueba los fundamentos mismos de nuestra comprensión del espacio y el tiempo, revelando nuevos conocimientos sobre las leyes fundamentales del universo.
