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.