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Comprueban la simetría del espacio-tiempo predicha por Einstein con dos relojes atómicos

Investigadores han confirmado que las partículas se mueven a la misma velocidad en todas direcciones, con una precisión comparable a un error de un segundo por cada 10.000 millones de años

MADRIDActualizado:

Según la Relatividad Especial de Einstein, la velocidad de la luz es la misma en cualquier punto y dirección del espacio. Pero los científicos se preguntan si esta simetría del espacio-tiempo, a la que se conoce además como la covarianza de Lorentz, afecta también a las partículas. ¿Se mueven igual de rápido las partículas en todas las direcciones? Saberlo conllevaría conocer cimientos esenciales de la física de partículas, pero requiere, entre otras muchas cosas, poder medir el tiempo con una precisión exquisita. De hecho, demostrar que este principio se cumple cada vez con más precisión siempre es un avance: normalmente, lleva a poder descubrir cosas nuevas.

Recientemente, un estudio publicado en Nature y elaborado por científicos del Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), Alemania, y de la Universidad de Delaware (Estados Unidos), ha demostrado la fiabilidad extrema de dos relojes atómicos, de iterbio, y la validez del principio de simetría del espacio-tiempo, con una precisión de 4x10^-18, lo que equivale a un error de un segundo por cada 10.000 millones de años.

«Lo más importante de esta investigación es que hemos puesto a prueba un concepto clave de la Teoría de la Relatividad, con una precisión 100 veces mayor –a la demostración anterior, lograda con relojes atómicos de cationes de calcio, por investigadores de la Universidad de Berkeley (EE.UU.)–», ha dicho para ABC Christian Sanner, primer autor del estudio. Y ,tal como ha proseguido: «Además, hemos demostrado experimentalmente la precisión excepcional y la estabilidad de nuestros relojes atómicos».

Según ha dicho Sanner, la teoría de cuerdas predice una violación de la simetría de Lorentz en ciertas situaciones, lo que no es compatible con los postulados de la Relatividad. «No está claro hasta dónde tenemos que llevar la precisión de nuestras medidas antes de observar ese tipo de efectos», ha dicho. A la vista de lo logrado aquí, «debemos conseguir incluso mejores mediciones si quieremos revelar una posible violación de la simetría de Lorentz».

Pero, ¿cómo son los relojes usados en esta ocasion? El investigador ha explicado que están montados en unas tablas ópticas que cabrían en una habitación no muy grande. El mayor componente, una trampa de iones, mide apenas unos centímetros. Su funcionamiento se basa en su capacidad de medir, de forma repetida, la frecuencia de un láser ultraestable incidiendo sobre un ión, y observando si este se excita. Gracias a esto, los científicos pueden mantener ajustada la frecuencia del láser con gran precisión, aprovechando la regularidad del átomo de iterbio.

Este átomo, atrapado en unas jaula para iones, tiene los electrones distribuidos por una esfera. Pero, cuando se excita, gracias al láser, estos se mueven hacia una zona. Por medio de un campo magnético, los científicos pueden orientar la función de onda de estos electrones.

Relojes fijos en el espacio-tiempo

Los investigadores usaron dos relojes, en los que se indujo una orientación de campo casi perpendicular. Los relojes se montaron en el laboratorio y se hicieron rotar con el movimiento de la Tierra, una vez cada 23.9345 horas, en relación con estrellas fijas. Para asegurarse, los científicos compararon las frecuencias de ambos relojes durante 1.000 horas.

¿Para qué? Si la simetría del espacio-tiempo se cumpliera, incluso en la frecuencia que mide el láser, los científicos no captarían ninguna discrepancia entre los dos relojes. Si no se cumpliera, sí que la encontrarían. En concreto, observarían cambios periódicos en las frecuencias del láser a medida que los relojes rotan.

¿Para qué embarcarse en esta investigación? «Es bastante sencillo: nuestro objetivo es conseguir cada vez mejores relojes y explorar una interesante nueva ciencia con ellos, que nos permita comprender mejor el mundo cuántico o buscar la materia oscura...», ha dicho Sanner. «Estos niveles de precisión serán esenciales para las pruebas de baja energía de las teorías de gravedad cuántica», han escrito los autores en el estudio.

Además, Christian Sanner ha destacado que estos relojes son parte importante de la revolución cuántica, un conjunto de tecnologías que tendrán, según ha adelantado, un impacto tremendo en nuestra en un futuro no muy lejano.