Nuevo reloj atómico es tan exacto que puede detectar las ondas gravitacionales

Físicos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) en EE.UU. lograron estos registros en tres de las medidas más importantes que se utilizaron para juzgar el rendimiento del reloj atómico: estabilidad, incertidumbre sistemática y reproducibilidad.

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El dispositivo más preciso que los humanos hemos creado es el reloj atómico, el cual está basado ​​en las diminutas oscilaciones de los átomos. Y ahora, según una investigación publicada en Nature, el último ajuste que han realizado los científicos a este dispositivo, lo ha hecho tan preciso que podría detectar ondas gravitacionales.

Este nuevo ajuste estuvo a cargo de los físicos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) en EE.UU., ellos lograron estos registros en tres de las medidas más importantes que se utilizaron para juzgar el rendimiento del reloj atómico: estabilidad, incertidumbre sistemática y reproducibilidad. "[Se] puede considerar la 'escalera real' de rendimiento para estos relojes", explicó Andrew Ludlow, físico del NIST.

Dos nuevos relojes y tres nuevos registros

Los dos nuevos relojes están basados ​​en átomos de iterbio. En cada reloj, una red óptica hecha de láseres mantiene inmóviles a mil de estos átomos. Estos láseres excitan los electrones dentro de los átomos, que luego oscilan, cambiando con una precisión increíble entre dos estados de energía.

Al igual que con un reloj analógico, esta conmutación de energía se puede utilizar para mantener la hora, pero con una precisión mucho mayor que la de cualquier reloj analógico o incluso digital. El último récord, lanzado el año pasado, fue tan preciso que podría mantener el tiempo sin perder ni ganar un segundo durante 15 mil millones de años. Y el segundo estándar está definido por las oscilaciones de un átomo de cesio.

Con respecto a los nuevos registros: la estabilidad se refiere al cambio en la frecuencia del reloj durante un período de tiempo específico. El cambio de los relojes de iterbio fue de solo 3.2 partes en 1019 (o 0.00000000000000000032). La reproducibilidad se refiere a qué tan cerca de los relojes suenan a la misma frecuencia. Su diferencia estaba por debajo del nivel de 10-18, o una billonésima de mil millones.

Finalmente, la incertidumbre sistemática se refiere a si el reloj está manteniendo la hora con precisión con las oscilaciones de los átomos. Los dos relojes estaban sincronizados con la frecuencia del iterbio con una tasa de error de 1.4 partes en 1018.

"El acuerdo de los dos relojes en este nivel sin precedentes, que llamamos reproducibilidad, es quizás el resultado más importante, porque esencialmente requiere y justifica los otros dos resultados", dijo Ludlow.

"Esto es especialmente cierto porque la reproducibilidad demostrada muestra que el error total de los relojes cae por debajo de nuestra capacidad general para explicar el efecto de la gravedad en el tiempo aquí en la Tierra”, añade el científico. "Por lo tanto, cuando imaginamos relojes como estos que se usan en todo el país o el mundo, su rendimiento relativo estaría, por primera vez, limitado por los efectos gravitacionales de la Tierra".

Esta increíble precisión beneficiará a muchos de los instrumentos y experimentos donde se utilizan los relojes atómicos, como por ejemplo los sistemas de posicionamiento global. Estos reciben señales de satélites equipados con relojes atómicos, luego miden el tiempo de retardo de la señal de cada satélite y los convierten en coordenadas espaciales.

Interactuar con la materia oscura

Los relojes atómicos también se han utilizado para detectar y medir la dilatación del tiempo, el efecto de la velocidad o la gravedad en el tiempo. La velocidad relativa ralentiza el tiempo. La mayor gravedad también ralentiza el tiempo; por ejemplo, a mayores altitudes en la Tierra, el tiempo se mueve un poquito más rápido.

Debido a esta diferencia, los relojes atómicos se pueden colocar a diferentes altitudes para medir la gravedad en sí. Esto significa que estos nuevos relojes podrían, teóricamente, usarse para medir la forma del campo gravitatorio de la Tierra con una precisión de un centímetro.

Sin embargo, estos relojes atómicos increíblemente precisos y sensibles a la gravedad, también podrían detectar potencialmente las débiles señales de las ondas gravitacionales. Además, existe la perspectiva increíblemente tentadora de poder detectar la materia oscura, la cual nunca hemos detectado directamente.

Teóricamente, cuando los relojes atómicos interactúan con la materia oscura, pueden acelerar o disminuir la velocidad, pero con fracciones de segundos absolutamente minúsculas. Los relojes atómicos sincronizados pueden hacer que estas discrepancias sean detectables de una manera que otros relojes no pueden.

Estas aplicaciones aún no se han usado con estos nuevos relojes atómicos (con la cantidad de potencia del láser requerida, ahora solo puede ser usados en el laboratorio). Pero son un paso más es nuestro constante intento de establecer medidas cada vez más exactas.

*Esta noticia ha sido publicada originalmente en N+1, ciencia que suma.

 

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