Publicado en Nature: El experimento más preciso de la dilatación gravitatoria del tiempo mediante relojes cuánticos

Un experimento de menos de un millón de dólares desarrollado por el Premio Nobel Steven Chu, Secretario de Energía del Presidente Obama, obtiene un test de precisión de la relatividad general 10000 veces más preciso que el mejor hasta ahora, 1000 veces más preciso que el que obtendrá el futuro experimento ACES que la ESA pretende instalar en la ISS y que costará más de 100 millones de euros. Según la relatividad general un reloj en un campo gravitatorio más intenso corre más lento. Normalmente este tipo de experimentos se realizan en satélites y en aviones de largo recorrido. Sin embargo, Holger Müller, Achim Peters y Steven Chu han utilizado una trampa láser para medir la diferencia entre el tiempo medido por dos relojes cuánticos separados una distancia vertical de 0,1 mm. en el campo gravitatorio de la Tierra y han verificado la teoría de Einstein con una precisión de 7 partes en mil millones. Cada reloj cuántico es un único átomo de Cesio enfriado cerca del cero absoluto encerrado en una trampa atómica por láser, la tecnología que hizo que Chu obtuviera el Premio Nobel en 1997. Steven Chu afirma que ha tenido que trabajar en el experimento de noche, durante los fines de semana y mientras viajaba en avión, debido a que dedica entre 70 y 80 horas semanales a su trabajo como Secretario de Energía. Nos lo cuenta Eric Hand, “General relativity tested on a tabletop,” Nature 463: 862, 17 February 2010, haciéndose eco del artículo técnico Holger Müller, Achim Peters, Steven Chu, “A precision measurement of the gravitational redshift by the interference of matter waves,” Nature 463: 926-929, 18 February 2010.

Christophe Salomon debe estar que trina. El investigador principal del proyecto ACES (Atomic Clock Ensemble in Space) que la ESA (European Space Agency) pretende instalar en 2013 en la Estación Espacial Internacional (ISS o International Space Station) está planeada para verificar la dilatación temporal de Einstein en un campo gravitatorio casi 1000 veces peor que el nuevo experimento de Müller et al. Una misión que costará unos 100 millones de euros a las arcas de los europeos en plena crisis siempre genera dudas. Por supuesto, Salomon se defiende afirmando que la misión también desarrollará otros experimentos relacionados y que medirá el efecto en distancias de kilómetros, en lugar de milímetros. Pero bueno, es nuestro dinero…

La teoría general de la relatividad predice que un reloj en un potencial gravitatorio U corre más despacio en un factor 1+U/c2, donde c es la velocidad de la luz, comparado con un reloj similar fuera de dicho potencial. Este efecto, llamado corrimiento al rojo gravitatorio, es importante para el funcionamiento preciso de los sistemas de GPS (Global Positioning System), en relojes atómicos de alta precisión y en futuros experimentos ultraprecisos que utilicen relojes colocados en el espacio que busquen variaciones de constantes fundamentales. El corrimiento al rojo gravitatorio ha sido medido utilizando relojes en aviones, cohetes y satélites, logrando alcanzar un error relativo de 7×10-5. El nuevo experimento basado en la interferencia cuántica de átomos ha permitido una medida mucho más precisa, alcanzando una precisión relativa de 7×10-9. Un resultado que cofirma la teoría de la relatividad general de la gravedad hasta un límite sin precedentes.

El nuevo experimento se basa en reinterpretar los experimentos de interferometría atómica que se han utilizado para medir la aceleración de la gravedad en caída libre.  La figura que abre esta entrada explica el experimento. Un átomo enfriado en una trampa láser es lanzado en vertical hacia arriba en una cámara de vacío sobre el que inciden tres pulsos ópticos desde un par de haces láser verticales antiparalelos con números de onda k1 y k2, respectivamente. Cada pulso láser transfiere un momento ħ(k1+k2) (donde ħ es h/2π y h es la constante de Planck) desde los dos fotones al átomo. Este proceso induce un retroceso del átomo que corresponde a un momento combinado ħk, donde kk1+k2. La intensidad y la duración del primer pulso láser se ha ajustado de tal forma que el proceso ocurre con una probabilidad del 50%. Como resultado, el primer pulso encuentra el átomo en un estado de superposición coherente de dos estados cuánticos, que se separan debido a su momento relativo ħk. El segundo pulso redirige el momento del átomo de forma que las trayectorias de los dos estados cuánticos coinciden en el momento en que incide el tercer pulso.

La mecánica cuántica describe el átomo en sus dos trayectorias mediante sus ondas de de Broglie en un estado coherente tal que sus oscilaciones están inicialmente sincronizadas (se separaron gracias al primer pulso láser). La aplicación del tercer pulso hace que las funciones de onda interfieran de forma constructiva o destructiva en función de su diferencia de fase, que se puede medir gracias a que afecta a la probabilidad de obtener como resultado de la medida alguno de los dos estados posibles. El resultado experimental obtenido compardo con el esperado teóricamente conduce a un error relativo de (7±7)×10-9, que es independiente de la aceleración local de la gravedad, g, y totalmente compatible con la relatividad general.

Un gran resultado de Steven Chu, máxime teniendo en cuenta lo terriblemente ocupado que estará en su cargo. Por supuesto, todos sabemos que el trabajo duro lo habrán desarrollado los otros dos autores (en especial el primer autor, Holger Müller, que por ello he puesto su foto en la figura que abre esta entrada), pero no debemos despreciar la labor de superposición desarrollada por este Premio Nobel.

PS (18 feb. 2010): Judith de Jorge, “Confirmado: Einstein tenía razón,” ABC.es, 17 feb. 2010 [visto en Menéame]; Alicia Rivera, “Átomos en vez de relojes para confirmar la teoría de Einstein con alta precisión,” El País, 17 feb. 2010.

PS (18 feb. 2010): Kanijo, “Confirmados los efectos de la gravedad sobre el tiempo,” Ciencia Kanija, 18 feb. 2010, traducción de “Gravity’s effect on time confirmed,” PhysicsWorld.com, Feb. 17, 2010.

PS (24 feb. 2010): Merece la pena leer a Enrique Álvarez, “Dos átomos para Einstein. Asombrosa detección del minúsculo efecto de la gravedad en la luz,” El País, 24/02/2010.

Posibles candidatos a Medalla Fields este año en la India

Los próximos matemáticos que recibirán la Medalla Fields en el ICM 2010 en la India este año serán anunciados el 19 de agosto próximo. Todavía es pronto para empezar con las apuestas y las cábalas, pero las matemáticas es un campo que avanza lentamente y los posibles candidatos no son muchos. 

Artur Avila (Brasil, Río de Janeiro, 1979): Mi más firme candidato a Medalla Fields este año. Lo único que tiene en contra es su juventud. Sólo 30 años y habrá dos ocasiones más en las que podrá recibir la Medalla. Especialista en sistemas dinámicos discretos (aplicaciones caóticas) ya ganó un premio en el 5º Congreso Europeo de Matemáticas, celebrado en Ámsterdam, Países Bajos, en julio de 2008, por su teoría de aplicaciones racionales iteradas y el flujo geodésico de Teichmüller. Ha demostrado entre otros resultados la “Conjetura Ten Martini” de B. Simon y la Conjetura de Kontsevich-Zorich sobre la simplicidad del espectro de Lyapunov para el flujo geodésico de Teichmüller. Sus trabajos más interesantes se centran en la frontera entre el caos determinista y la comportamiento no caótico. Sus últimos trabajos son interesantísimos y es uno de los número uno en su campo

Ngô Bao Châu (Vietnam, Hanoi, 1972): Si con Artur, por su juventud, se puede tener algún tipo de duda, con Ngo es imposible. Le darán la Medalla Fields con total seguridad. Es su última oportunidad de obtener la Medalla y la obtendrá. Su demostración del Lema Fundamental de Langlands (propuesto en 1980 y demostrado en 2008) en el caso de los grupos unitarios fue seleccionado por la revista Time como uno de los 10 descubrimientos científicos más importantes de 2009. Actualmente en el Instituto de Estudios Avanzados de Princeton, ha aceptado una plaza como profesor en la Universidad de Chicago. 

Irit Dinur (Israel): Aunque las mujeres no confiesan nunca su edad, con toda seguridad tiene menos de 40 años (sus primeras publicaciones son de 1998). Quizás se convertirá en la primera mujer en recibir la Medalla Fields. Realmente se lo merece. El único inconveniente que tiene es que sus trabajos matemáticos sobre demostraciones verificables mediante la teoría de la probabilidad rayan con el campo de la computación y la informática, con lo que es también candidata ideal para el Premio Rolf Nevanlinna. Uno de los dos se lo darán con toda seguridad este año. 

Jacob Lurie (norteamericano, 32 años): Desde el año pasado profesor de Harvard es sin lugar a dudas el topólogo del momento. Sus trabajos en teoría de la homotopía han roto muchas barreras y han mostrado conexiones con muchísimos otros campos como la geometría algebraica, la teoría de campos cuánticos topológicos, etc. Si no recibe la Medalla Fields este año la recibirá en 2014 (tiene el mismo problema que Avila, su juventud).

Otros candidatos fuertes en mi quiniela son Ben Green (británico, 1977) y Cedric Villani (francés, 1973).

¿Algún español? Los únicos que están invitados a dar charlas plenarias y/o invitadas (los premiados siempre salen de esta lista) son la joven y guapa profesora de la Universidad de Sevilla Isabel Fernández Delgado que ha sido invitada a dar una charla sobre Geometría Diferencial junto al profesor de la Universidad Politécnica de Cartagena Pablo Mira. Todavía ella es joven y su carrera parece prometedora. Sus trabajos sobre “superficies de curvatura media constante en espacios homogéneos”, puede que conduzca a alguna sorpresa en los próximos años, pero todavía es pronto y no está en ninguna quiniela.