Curvatura del espacio-tiempo medida usando 'fuente atómica'

Los investigadores han medido la gravedad utilizando los efectos de la dilatación del tiempo.
La teoría de la relatividad general de Albert Einstein sostiene que los objetos masivos causan una distorsión en el espacio-tiempo, que se siente como gravedad. Esta imagen es la representación de un artista de agujeros negros en colisión que causan ondas gravitacionales, ondas en el tejido del espacio-tiempo. (Crédito de la imagen: R. Hurt/Caltech-JPL)

En 1797, el científico inglés Henry Cavendish midió la fuerza de la gravedad con un artilugio hecho de esferas de plomo, varillas de madera y alambre. En el siglo 21, los científicos están haciendo algo muy similar con herramientas bastante más sofisticadas: los átomos.

La gravedad podría ser un tema temprano en las clases introductorias de física, pero eso no significa que los científicos aún no estén tratando de medirla con una precisión cada vez mayor. Ahora, un grupo de físicos lo ha hecho utilizando los efectos de la dilatación del tiempo, la desaceleración del tiempo causada por el aumento de la velocidad o la fuerza gravitacional, en los átomos. En un artículo publicado en línea hoy (13 de enero) en la revista Science, los investigadores anuncian que han podido medir la curvatura del espacio-tiempo.

El experimento es parte de un área de la ciencia llamada interferometría atómica. Aprovecha un principio de la mecánica cuántica:así como una onda de luz puede representarse como una partícula, una partícula (como un átomo) puede representarse como un "paquete de ondas". Y así como las ondas de luz pueden superponerse y crear interferencias, también lo pueden hacer los paquetes de ondas de materia.

En particular, si el paquete de ondas de un átomo se divide en dos, se le permite hacer algo y luego se recombina, es posible que las ondas ya no se alineen, en otras palabras, sus fases han cambiado.

"Uno trata de extraer información útil de este cambio de fase", dijo a Space.com Albert Roura, físico del Instituto de Tecnologías Cuánticas en Ulm, Alemania, que no participó en el nuevo estudio. Roura escribió un artículo de "Perspectivas" sobre la nueva investigación, que se publicó en línea en el mismo número de Science Today.

Los detectores de ondas gravitacionales funcionan a través de un principio similar. Al estudiar las partículas de esta manera, los científicos pueden ajustar los números detrás de algunos de los trabajos clave del universo, como cómo se comportan los electrones y qué tan fuerte es realmente la gravedad, y cómo cambia sutilmente incluso en distancias relativamente pequeñas.

Es ese último efecto el que Chris Overstreet de la Universidad de Stanford y sus colegas midieron en el nuevo estudio. Para hacer esto, crearon una "fuente atómica", que consiste en un tubo de vacío de 33 pies (10 metros) de altura adornado con un anillo alrededor de la parte superior.

Los investigadores controlaron la fuente atómica disparando pulsos láser a través de ella. Con un pulso, lanzaron dos átomos desde el fondo. Los dos átomos alcanzaron diferentes alturas antes de que un segundo pulso los derribara. Un tercer pulso atrapó los átomos en la parte inferior, recombinando los paquetes de ondas de los átomos.

Los investigadores encontraron que los dos paquetes de ondas estaban fuera de fase, una señal de que el campo gravitacional en la fuente atómica no era completamente uniforme.

"Eso ... en la relatividad general,puede entenderse, en realidad, como el efecto de la curvatura espacio-temporal", dijo Roura a Space.com, refiriéndose a una de las teorías más famosas de Albert Einstein.

Dado que el átomo que subió estaba más cerca del anillo, experimentó más aceleración gracias a la gravedad del anillo. En un campo gravitatorio perfectamente uniforme, tales efectos se cancelarían. Eso no es lo que sucedió aquí; los paquetes de ondas de los átomos estaban desfasados en su lugar, y gracias a los efectos de la dilatación del tiempo, el átomo que experimentó más aceleración estaba ligeramente fuera de tiempo con su contraparte.

El resultado es un cambio minúsculo, pero la interferometría atómica es lo suficientemente sensible como para captarlo. Y dado que los científicos pueden controlar la colocación y la masa del anillo, dijo Roura a Space.com, "son capaces de medir y estudiar estos efectos".

Aunque la tecnología detrás de este descubrimiento, la interferometría atómica, puede parecer arcana, la interferometría atómica puede algún día usarse para detectar ondas gravitacionales y ayudarnos a navegar mejor que el GPS,dijeron los investigadores.

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