Los físicos en los EE.utilizó dos principios fundamentales de la mecánica cuántica para realizar una prueba de alta precisión de la teoría general de la relatividad de Einstein., Los investigadores explotaron la dualidad onda-partícula y la superposición dentro de un interferómetro atómico para probar que un efecto conocido como corrimiento al rojo gravitacional – la ralentización del tiempo cerca de un cuerpo masivo – se mantiene fiel a una precisión de siete partes en mil millones. El resultado es importante en la búsqueda de una teoría de la gravedad cuántica y podría tener implicaciones prácticas significativas, como mejorar la precisión de los sistemas de Posicionamiento global.
el corrimiento al rojo gravitacional sigue el 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. Así que la fuerza hacia abajo sentida por alguien en una elevación podría ser igualmente debido a una aceleración hacia arriba de la elevación o a la gravedad. Los pulsos de luz enviados hacia arriba desde un reloj en el piso del ascensor se desplazarán Doppler, o correrán hacia el rojo, cuando el ascensor esté acelerando hacia arriba, lo que significa que este reloj parecerá marcar más lentamente cuando sus destellos se comparen en el techo del ascensor con otro reloj., Debido a que no hay manera de distinguir la gravedad y la aceleración, lo mismo ocurrirá 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 se moverá.
La confirmación de este efecto apoya la idea de que la gravedad es una manifestación de la curvatura espacio–tiempo porque el flujo del tiempo ya no es constante en todo el universo, sino que varía de acuerdo con la distribución de los cuerpos masivos., Reforzar la idea de la curvatura 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 que no sea la geometría del espacio–tiempo.,
universalidad de caída libre
corrimiento 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 en el universo se lleva a cabo) es el menos bien confirmado de los tres tipos de experimento que apoyan 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 corrimiento al rojo gravitacional se había confirmado previamente solo con una precisión de 7 × 10-5., Esto se logró en 1976 al registrar la diferencia en el tiempo transcurrido medido por dos relojes atómicos, uno en la superficie de la Tierra y el otro enviado a una altitud de 10,000 km en un cohete.
este tipo de medición de corrimiento al rojo está limitada por el grado de atracción gravitacional proporcionado por la masa de la Tierra., La nueva investigación, llevada a cabo por Holger Müller de la Universidad de California Berkeley, Achim Peters de la Universidad Humboldt de Berlín y Steven Chu, anteriormente en Berkeley pero ahora Secretario de energía de Estados Unidos, es limitada de la misma manera, pero logra aumentar dramáticamente la precisión gracias a un reloj ultrafino proporcionado por la mecánica cuántica.,
en 1997 Peters utilizó técnicas de captura láser desarrolladas por Chu para capturar átomos de cesio y enfriarlos a unas pocas millonésimas de grado por encima del cero absoluto (con el fin de reducir su velocidad tanto como sea posible), y luego utilizó un rayo láser vertical para impartir una patada hacia arriba a los átomos con el fin de medir la caída libre gravitacional.
Ahora, Chu y Müller han reinterpretado los resultados de ese experimento para dar una medida del corrimiento 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 caer de nuevo a la Tierra Bajo la atracción de la gravedad o dándole una patada extra para que alcanzara una mayor altura antes de descender. Un segundo pulso fue aplicado en el momento justo para empujar el átomo en el segundo estado hacia atrás más rápido hacia la Tierra, causando que los dos estados de superposición se encontraran 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 de que cualquier diferencia en el corrimiento al rojo gravitacional experimentado por los dos estados existentes a diferentes alturas sobre la superficie de la Tierra se manifestaría como un cambio en la fase relativa de los dos Estados.
enorme frecuencia
La virtud de este enfoque es la frecuencia extremadamente alta de la onda de Broglie de un átomo de cesio – unos 3 × 1025 Hz. Aunque durante el 0.,3 s de caída libre las ondas de materia en la trayectoria superior experimentaron un tiempo transcurrido de solo 2 × 10-20 s 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, significó que los investigadores fueron capaces de confirmar el corrimiento al rojo gravitacional a 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 de apenas una milésima de segundo, y la precisión de la medición sería de 60 ps, el tiempo que tarda la luz en viajar alrededor de un centímetro.»
esta precisión extrema podría ser útil a medida que los sistemas de Posicionamiento global se vuelvan cada vez más precisos., Como señala Müller, para determinar la posición de un objeto en el suelo con una precisión milimétrica, los relojes atómicos en los satélites GPS tendrían que operar con una precisión de 10-17, una cifra de hecho lograda recientemente por un reloj desarrollado en el Instituto Nacional de estándares y Tecnología en los EE. Pero a la altitud de los satélites de 20,000 km, tales relojes experimentarán una aceleración del tiempo de aproximadamente una parte en 1010 gracias al corrimiento al rojo gravitacional., Recuperar la precisión de 10-17 requeriría, por lo tanto, conocer el efecto de corrimiento al rojo a una precisión de 10-7.
Müller espera mejorar aún más la precisión de las mediciones de corrimiento al rojo aumentando la distancia entre los dos estados de superposición de los átomos de cesio. La distancia alcanzada en la investigación actual fue de apenas 0,1 mm, pero, dice, al aumentarla a 1 m debería ser posible detectar ondas gravitacionales, ondas minúsculas en el tejido del espacio–tiempo predichas por la relatividad general pero nunca antes observadas.
la obra se describe en Nature 463 926.,