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Los científicos han sabido durante décadas que el tiempo pasa más rápido en un lugar elevado, un aspecto curioso de las teorías de la relatividad de Einstein que previamente había sido medido mediante la comparación de relojes en la superficie de la Tierra y en un cohete.
Ahora, los físicos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) han medido este efecto en una escala mucho más pequeña, de tan sólo 33 centímetros sobre el suelo, lo que demuestra por ejemplo, que se envejece más rápido simplemente subido un par de peldaños más arriba en una escalera.
Descrita en el último número de la revista 'Science', la diferencia es demasiado pequeña para los seres humanos como para percibirla directamente --ya que suma aproximadamente 90 mil millonésimas de segundo durante una vida de 79 años -- pero puede proporcionar aplicaciones prácticas en la Geofísica y otros campos.
Del mismo modo, los investigadores del NIST observaron otro aspecto de la relatividad --que el tiempo pasa más lentamente cuando se mueve más rápido-- a velocidades comparables a las de un automóvil que viaja a unas 50 kilómetros por hora, una escala más comprensible que en las mediciones hechas anteriormente, basadas en aviones a reacción.
Los científicos de NIST realizaron estos nuevos experimentos sobre la "dilatación del tiempo" mediante la comparación de las operaciones de un par de los mejores relojes atómicos experimentales del mundo. Los relojes son casi idénticos, basados en el "tic-tac " de un solo ion de aluminio (un átomo con carga eléctrica) mientras vibra entre los dos niveles de energía más de un millón de millones de veces por segundo. Un reloj mantiene la hora con una precisión de 1 segundo en alrededor de 3,7 millones de años y el otro está próximo a ese rendimiento. Los dos relojes están situados en diferentes laboratorios en el NIST y conectados por una fibra óptica de 75 metros de largo.
Los relojes de aluminio del NIST -también llamados 'relojes de lógica cuántica' porque toman prestadas las técnicas de lógica de toma de decisiones de la computación cuántica experimental- son precisos y suficientemente estables como para revelar diferencias leves que no se podían ver hasta ahora. Los relojes funcionan alumbrando con luz láser los iones a frecuencias ópticas que son superiores a la frecuencia de las microondas utilizadas en el estándar de los relojes atómicos actuales basados en el átomo de cesio.
Los relojes ópticos podrían conducir algún día a los estándares de tiempo 100 veces más precisos que la norma actual de los relojes . Los relojes de aluminio puede detectar pequeños efectos basados en la relatividad - debido a su extrema precisión y alto factor "Q" - una cantidad que refleja la forma fiable en que el ion absorbe y retiene la energía óptica en el cambio de un nivel de energía a otro - dice el investigador postdoctoral del NIST James Chin-Wen Chou, autor principal del estudio.
"Hemos observado el mayor factor Q en la física atómica", dice Chou. "Se puede pensar en ello como el tiempo que un tenedor de sintonía vibra antes de que pierda la energía almacenada en la estructura de resonancia. Tenemos el ion oscilando en sincronía con la frecuencia del láser a cerca de 400.000 millones de ciclos . "
Los experimentos del NIST se centraron en dos escenarios que Einstein predijo en las teorías de la relatividad. En primer lugar, cuando dos relojes están sometidos a fuerzas gravitacionales desiguales debido a sus diferentes altitudes por encima de la superficie de la Tierra, el reloj más alto - que ha experimentado una pequeña fuerza gravitacional - funciona más rápido.
En segundo lugar, cuando un observador se mueve, el movimiento del reloj que queda inmovilizado parece durar más tiempo, por lo que el reloj parece correr lento. Los científicos se refieren a esto como la paradoja de los gemelos, en la que un gemelo que viaja en una nave espacial en rápido movimiento volvería a casa más joven que el otro gemelo.
El factor crucial es la aceleración (la aceleración y desaceleración) del gemelo viajero en realizar el viaje de ida y vuelta. Los científicos de NIST observaron estos efectos al hacer cambios específicos en uno de los dos relojes de aluminio y la medición de las diferencias resultantes en las tasas que presentaban los dos iones.
En una serie de experimentos, los científicos plantearon levantar uno de los relojes sobre la mesa del láser a una altura de un tercio de un metro por encima del segundo reloj. Efectivamente, el reloj más alto corrió a un ritmo ligeramente más rápido que el reloj más bajo, exactamente como se predijo.
El segundo conjunto de experimentos examinó los efectos de alterar el movimiento físico de los iones en un reloj. (Los iones están casi completamente inmóviles durante las operaciones normales del reloj). Los científicos del NIST modificaron los iones de una manera que giraban hacia atrás y adelante a velocidades equivalentes a varios metros por segundo. Ese reloj está marcado a un ritmo ligeramente más lento que el segundo reloj, según lo predicho por la relatividad. El movimiento de iones actúa como el gemelo viajero en la paradoja de los gemelos.
Estas comparaciones de los relojes superprecisos eventualmente pueden resultar útiles en geodesia, la ciencia de la medición de la Tierra y su campo gravitatorio, con aplicaciones en geofísica y la hidrología, y posiblemente en las pruebas basadas en el espacio de las teorías de la física fundamental, sugiere el físico Till Rosenband, líder del equipo del reloj de aluminio de iones del NIST.
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