En la búsqueda incesante de la humanidad por la perfección, los científicos han desarrollado un reloj atómico que es más preciso y exacto que cualquier reloj creado anteriormente. El nuevo reloj fue construido por investigadores de JILA, una institución conjunta del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) y la Universidad de Colorado Boulder.
Permitiendo la navegación precisa en la vasta extensión del espacio, así como la búsqueda de nuevas partículas, este reloj es el último en trascender la simple medición del tiempo. Con su mayor precisión, estos cronometradores de próxima generación podrían revelar depósitos minerales subterráneos ocultos y probar teorías fundamentales como la relatividad general con un rigor sin precedentes. Para los arquitectos de relojes atómicos, no se trata solo de construir un mejor reloj; se trata de desentrañar los secretos del universo y allanar el camino para tecnologías que darán forma a nuestro mundo durante las generaciones venideras.
La comunidad científica mundial está considerando redefinir el segundo, la unidad internacional de tiempo, basada en estos relojes atómicos ópticos de próxima generación. Los relojes atómicos de la generación actual brillan microondas sobre los átomos para medir el segundo. Esta nueva ola de relojes ilumina los átomos con ondas de luz visible, que tienen una frecuencia mucho más alta, para contar el segundo con mucha más precisión. En comparación con los relojes de microondas actuales, se espera que los relojes ópticos brinden una precisión mucho mayor para la cronometraje internacional, posiblemente perdiendo solo un segundo cada 30 mil millones de años.
Pero antes de que estos relojes atómicos puedan funcionar con tanta precisión, necesitan tener una precisión muy alta; en otras palabras, deben poder medir fracciones extremadamente pequeñas de un segundo. Lograr una alta precisión y una alta precisión podría tener implicaciones vastas.
Atrapado en el tiempo
El nuevo reloj JILA utiliza una red de luz conocida como “red óptica” para atrapar y medir decenas de miles de átomos individuales simultáneamente. Tener un conjunto tan grande proporciona una gran ventaja en precisión. Cuantos más átomos se miden, más datos tiene el reloj para producir una medición precisa del segundo.
Para lograr un nuevo rendimiento récord, los investigadores de JILA utilizaron una “red” de luz láser más superficial y suave para atrapar los átomos, en comparación con los relojes de red óptica anteriores. Esto redujo significativamente dos fuentes principales de error: los efectos de la luz láser que atrapa los átomos y los átomos que chocan entre sí cuando están empaquetados demasiado apretados.
Los investigadores describen sus avances en Physical Review Letters.
Cronometraje de la Relatividad en las escalas más pequeñas
“Este reloj es tan preciso que puede detectar efectos minúsculos predichos por teorías como la relatividad general, incluso a escala microscópica”, dijo el físico de NIST y JILA, Jun Ye. “Está empujando los límites de lo que es posible con la cronometraje”.
La relatividad general es la teoría de Einstein que describe cómo la gravedad es causada por la deformación del espacio y el tiempo. Una de las predicciones clave de la relatividad general es que el tiempo en sí mismo se ve afectado por la gravedad: cuanto más fuerte es el campo gravitatorio, más lentamente pasa el tiempo.
Este nuevo diseño de reloj puede permitir la detección de efectos relativistas en la cronometraje a escala submilimétrica, aproximadamente el grosor de un solo cabello humano. Elevar o bajar el reloj esa distancia minúscula es suficiente para que los investigadores discernan un pequeño cambio en el flujo del tiempo causado por los efectos de la gravedad.
Esta capacidad de observar los efectos de la relatividad general a escala microscópica puede cerrar significativamente la brecha entre el reino cuántico microscópico y los fenómenos a gran escala descritos por la relatividad general.
Navegar el espacio y los avances cuánticos
Los relojes atómicos más precisos también permiten una navegación y exploración espacial más precisas. A medida que los humanos se aventuran más lejos en el sistema solar, los relojes necesitarán mantener el tiempo preciso a vastas distancias. Incluso errores minúsculos en la cronometraje pueden conducir a errores de navegación que aumentan exponencialmente cuanto más lejos se viaja.
“Si queremos aterrizar una nave espacial en Marte con precisión milimétrica, vamos a necesitar relojes que sean órdenes de magnitud más precisos que los que tenemos hoy en el GPS”, dijo Ye. “Este nuevo reloj es un paso importante para lograrlo”.
Los mismos métodos utilizados para atrapar y controlar los átomos también podrían producir avances en la computación cuántica. Las computadoras cuánticas necesitan poder manipular con precisión las propiedades internas de átomos o moléculas individuales para realizar cálculos. El progreso en el control y la medición de sistemas cuánticos microscópicos ha avanzado significativamente esta empresa.
Al aventurarse en el reino microscópico donde las teorías de la mecánica cuántica y la relatividad general se cruzan, los investigadores están abriendo una puerta a nuevos niveles de comprensión sobre la naturaleza fundamental de la realidad misma. Desde las escalas infinitesimales donde el flujo del tiempo se distorsiona por la gravedad, hasta las vastas fronteras cósmicas donde la materia oscura y la energía oscura dominan, la exquisita precisión de este reloj promete iluminar algunos de los misterios más profundos del universo.
“Estamos explorando las fronteras de la ciencia de la medición”, dijo Ye. “Cuando puedes medir las cosas con este nivel de precisión, comienzas a ver fenómenos que solo hemos podido teorizar hasta ahora”.
En la búsqueda incesante de la humanidad por la perfección, los científicos han desarrollado un reloj atómico que es más preciso y exacto que cualquier reloj creado anteriormente. El nuevo reloj fue construido por investigadores de JILA, una institución conjunta del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) y la Universidad de Colorado Boulder.
Permitiendo la navegación precisa en la vasta extensión del espacio, así como la búsqueda de nuevas partículas, este reloj es el último en trascender la simple medición del tiempo. Con su mayor precisión, estos cronometradores de próxima generación podrían revelar depósitos minerales subterráneos ocultos y probar teorías fundamentales como la relatividad general con un rigor sin precedentes. Para los arquitectos de relojes atómicos, no se trata solo de construir un mejor reloj; se trata de desentrañar los secretos del universo y allanar el camino para tecnologías que darán forma a nuestro mundo durante las generaciones venideras.
La comunidad científica mundial está considerando redefinir el segundo, la unidad internacional de tiempo, basada en estos relojes atómicos ópticos de próxima generación. Los relojes atómicos de la generación actual brillan microondas sobre los átomos para medir el segundo. Esta nueva ola de relojes ilumina los átomos con ondas de luz visible, que tienen una frecuencia mucho más alta, para contar el segundo con mucha más precisión. En comparación con los relojes de microondas actuales, se espera que los relojes ópticos brinden una precisión mucho mayor para la cronometraje internacional, posiblemente perdiendo solo un segundo cada 30 mil millones de años.
Pero antes de que estos relojes atómicos puedan funcionar con tanta precisión, necesitan tener una precisión muy alta; en otras palabras, deben poder medir fracciones extremadamente pequeñas de un segundo. Lograr una alta precisión y una alta precisión podría tener implicaciones vastas.
Atrapado en el tiempo
El nuevo reloj JILA utiliza una red de luz conocida como “red óptica” para atrapar y medir decenas de miles de átomos individuales simultáneamente. Tener un conjunto tan grande proporciona una gran ventaja en precisión. Cuantos más átomos se miden, más datos tiene el reloj para producir una medición precisa del segundo.
Para lograr un nuevo rendimiento récord, los investigadores de JILA utilizaron una “red” de luz láser más superficial y suave para atrapar los átomos, en comparación con los relojes de red óptica anteriores. Esto redujo significativamente dos fuentes principales de error: los efectos de la luz láser que atrapa los átomos y los átomos que chocan entre sí cuando están empaquetados demasiado apretados.
Los investigadores describen sus avances en Physical Review Letters.
Cronometraje de la Relatividad en las escalas más pequeñas
“Este reloj es tan preciso que puede detectar efectos minúsculos predichos por teorías como la relatividad general, incluso a escala microscópica”, dijo el físico de NIST y JILA, Jun Ye. “Está empujando los límites de lo que es posible con la cronometraje”.
La relatividad general es la teoría de Einstein que describe cómo la gravedad es causada por la deformación del espacio y el tiempo. Una de las predicciones clave de la relatividad general es que el tiempo en sí mismo se ve afectado por la gravedad: cuanto más fuerte es el campo gravitatorio, más lentamente pasa el tiempo.
Este nuevo diseño de reloj puede permitir la detección de efectos relativistas en la cronometraje a escala submilimétrica, aproximadamente el grosor de un solo cabello humano. Elevar o bajar el reloj esa distancia minúscula es suficiente para que los investigadores discernan un pequeño cambio en el flujo del tiempo causado por los efectos de la gravedad.
Esta capacidad de observar los efectos de la relatividad general a escala microscópica puede cerrar significativamente la brecha entre el reino cuántico microscópico y los fenómenos a gran escala descritos por la relatividad general.
Navegar el espacio y los avances cuánticos
Los relojes atómicos más precisos también permiten una navegación y exploración espacial más precisas. A medida que los humanos se aventuran más lejos en el sistema solar, los relojes necesitarán mantener el tiempo preciso a vastas distancias. Incluso errores minúsculos en la cronometraje pueden conducir a errores de navegación que aumentan exponencialmente cuanto más lejos se viaja.
“Si queremos aterrizar una nave espacial en Marte con precisión milimétrica, vamos a necesitar relojes que sean órdenes de magnitud más precisos que los que tenemos hoy en el GPS”, dijo Ye. “Este nuevo reloj es un paso importante para lograrlo”.
Los mismos métodos utilizados para atrapar y controlar los átomos también podrían producir avances en la computación cuántica. Las computadoras cuánticas necesitan poder manipular con precisión las propiedades internas de átomos o moléculas individuales para realizar cálculos. El progreso en el control y la medición de sistemas cuánticos microscópicos ha avanzado significativamente esta empresa.
Al aventurarse en el reino microscópico donde las teorías de la mecánica cuántica y la relatividad general se cruzan, los investigadores están abriendo una puerta a nuevos niveles de comprensión sobre la naturaleza fundamental de la realidad misma. Desde las escalas infinitesimales donde el flujo del tiempo se distorsiona por la gravedad, hasta las vastas fronteras cósmicas donde la materia oscura y la energía oscura dominan, la exquisita precisión de este reloj promete iluminar algunos de los misterios más profundos del universo.
“Estamos explorando las fronteras de la ciencia de la medición”, dijo Ye. “Cuando puedes medir las cosas con este nivel de precisión, comienzas a ver fenómenos que solo hemos podido teorizar hasta ahora”.
Revista
Physical Review Letters
Título del artículo
Un reloj con incertidumbre sistemática de 8×10−19
Fecha de publicación del artículo
10-Jul-2024
