Confinar y hacer girar átomos o moléculas extremadamente fríos dentro de "ruedas de la fortuna" atómicas hechas de luz láser podría poner a prueba las predicciones de la relatividad a escala cuántica.
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| Hacer girar átomos ultrafríos podría ayudarnos a revelar los límites de la relatividad. |
Unas minúsculas “ruedas de la fortuna” hechas de partículas ligeras y extremadamente frías podrían permitir a los investigadores probar una faceta de la teoría de la relatividad de Albert Einstein a escalas sin precedentes.
Las teorías de la relatividad especial y general, formuladas por Einstein a principios del siglo XX, transformaron nuestra comprensión del tiempo al revelar que los relojes en movimiento pueden avanzar más lentamente que los que permanecen inmóviles. Si uno se mueve con suficiente rapidez o acelera lo suficiente, el tiempo que mide se dilata; lo mismo ocurre al moverse en círculos. Estos fenómenos se han observado en objetos relativamente grandes, pero Vassilis Lembessis, de la Universidad Rey Saud en Arabia Saudita, y sus colegas han ideado un método para comprobarlos también a escalas muy pequeñas.
Para estudiar las rotaciones y el tiempo de los objetos más pequeños que podemos controlar —átomos y moléculas— recurrieron al reino ultrafrío , apenas unas millonésimas de grado por encima de la temperatura más baja posible . Aquí, las propiedades cuánticas, así como el movimiento de átomos y moléculas, pueden manipularse con extrema precisión mediante haces láser y campos electromagnéticos. De hecho, en 2007, Lembessis y varios colegas desarrollaron un método para ajustar los haces láser de manera que mantengan los átomos confinados y girando dentro de la forma de un cilindro. Lo llamaron «noria óptica», y Lembessis afirma que los nuevos cálculos de su equipo demuestran que podría utilizarse para observar la dilatación temporal relativista medida por las partículas ultrafrías.
Sus cálculos demuestran que las moléculas de nitrógeno serían una buena candidata para estudiar la dilatación temporal rotacional en el mundo cuántico. Considerando el movimiento de los electrones en su interior como los tics de un reloj interno , los investigadores pudieron detectar una variación en la frecuencia de estos tics tan pequeña como una parte en 10 cuatrillones.
Al mismo tiempo, Lembessis afirma que los experimentos con norias ópticas han sido relativamente escasos hasta la fecha. Por ello, la nueva propuesta abre la puerta a la comprobación de la relatividad en un entorno inexplorado donde podrían surgir efectos nuevos o inesperados. Por ejemplo, la naturaleza cuántica de las partículas ultrafrías podría poner en entredicho la «hipótesis del reloj», que determina en qué medida la aceleración de un reloj afecta a sus tics.
«Es importante comprobar y confirmar nuestra comprensión de los fenómenos físicos en la naturaleza. Cuando nos encontramos con una sorpresa, con algo inesperado, es cuando necesitamos revisar nuestra comprensión y profundizar en el conocimiento del universo. Este trabajo propone una forma alternativa de comprobar los sistemas relativistas con claras ventajas respecto a los montajes mecánicos», afirma Patrik Öhberg, de la Universidad Heriot-Watt del Reino Unido.
Por ejemplo, si bien los efectos relativistas como la dilatación del tiempo suelen requerir movimientos muy rápidos, el uso de la noria óptica los haría accesibles sin necesidad de velocidades impracticables, afirma Aidan Arnold, de la Universidad de Strathclyde en el Reino Unido. «Con la increíble precisión de los relojes atómicos, el cambio de tiempo que "perciben" los átomos de la noria debería ser perceptible. Además, dado que los átomos acelerados no se desplazan muy lejos, habría tiempo suficiente para medir este cambio», explica.
Según Lembessis, modificar el enfoque de los haces láser también permitiría controlar el tamaño de la rueda de la fortuna que confinaría las partículas, y así comprobar el efecto de dilatación del tiempo para distintas rotaciones. Sin embargo, también existirían desafíos técnicos, como garantizar que los átomos o moléculas no se calentaran y se volvieran incontrolables al girar.