El reloj más preciso jamás creado funciona con gas cuántico

Una nueva era de relojes que aprietan átomos podría ayudar a explicar uno de los mayores misterios del universo

Un tipo de reloj atómico completamente nuevo podría cambiar la forma en que calculamos el tiempo. A diferencia de un reloj atómico, que utiliza átomos independientes para medir un segundo, el nuevo gas cuántico comprime los átomos para medir el tiempo con mayor precisión que nunca.

Desde 1967, un segundo se ha definido como el tiempo necesario para que un eje de cesio oscile exactamente 9192,631,770 veces. Los relojes atómicos estándar utilizan miles de átomos de cesio que se comportan y miden en gran medida de forma independiente.

El nuevo reloj contiene átomos mucho más cercanos. En el nuevo dispositivo, los átomos de estroncio se agrupan en un pequeño cubo tridimensional de 1.000 veces la densidad de los relojes unidimensionales anteriores. A esto se le llama gas cuántico, y los átomos de dicho gas están mucho más sincronizados que de otra manera, lo que significa que los tics del reloj permanecen puros y estables durante un tiempo inusualmente largo. Esta es la clave para lograr una medición del tiempo cada vez más precisa.

“El potencial más importante del reloj de gas cuántico 3D es la capacidad de aumentar la cantidad de átomos, lo que conducirá a una gran ganancia en estabilidad”, dice Jun Ye del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) y coautor. del artículo publicado en la revista Science. “La capacidad de escalar tanto el número de átomos como el tiempo de coherencia hará que este reloj de nueva generación sea cualitativamente diferente de la generación anterior”.

Los datos experimentales muestran que el nuevo reloj cuántico de gas alcanzó una precisión de solo 3,5 partes de error en diez trillones (el número uno con 19 ceros después) en aproximadamente dos horas. Esto lo convierte en el primer reloj atómico en alcanzar el umbral y 20 veces más preciso que su predecesor. “Esta es una mejora significativa con respecto a cualquier demostración anterior”, dice Ye.

Aunque todo esto es fascinante desde una perspectiva científica, es posible que se pregunte cuál es el propósito. ¿Por qué nos esforzamos por lograr mejores y mejores “segundas” mediciones? Bueno, parece que muchas investigaciones científicas dependen de la capacidad de saber exactamente cuánto tiempo ha pasado.

Relatividad general

“Aunque no tengamos la percepción de esto, desde nuestras actividades humanas típicas, todos debemos aceptar que vivimos en un mundo de cuatro dimensiones, en el que el tiempo es una de las coordenadas”, dice Nicola Poli, de la Universidad de Alta. -metrología de precisión de Florencia, que no participó en el estudio.

La dilatación del tiempo es uno de los efectos descritos por Einstein en la teoría de la relatividad general. En esencia, la gravedad afecta la rapidez con que alguien experimenta el paso del tiempo. En la Tierra, es posible que no sintamos esto porque es muy pequeño, pero todavía está allí.

Los relojes de hoy son tan precisos que puedes usarlos para medir los pequeños efectos gravitacionales que experimentamos aquí en la Tierra, dice Poly. “Ahora, con la precisión del tiempo que tenemos hoy, por ejemplo, puede medir la diferencia en la tasa de tic entre dos relojes en la Tierra que tienen solo un centímetro de altura”. Esto abre un nuevo conjunto de posibilidades para estudiar la Tierra misma. “Hay grupos que intentan crear un nuevo tipo de geodesia, basándose en comparaciones de estándares de frecuencia óptica ubicados en diferentes lugares de la Tierra”. La geodesia es el principio de utilizar las matemáticas para determinar la forma de nuestro propio planeta.

Física cuántica

Poli cree que podrían usarse relojes más precisos para resolver uno de los mayores misterios del Universo hasta la fecha; por qué la relatividad general y la mecánica cuántica no se mezclan. “Mi visión para el futuro es implementar relojes precisos del futuro para explorar la gravedad misma, en regímenes previamente inexplorados”, dice Poli. “Me refiero al desarrollo de futuros dispositivos cuánticos basados ​​en relojes ultraprecisos para estudiar la interacción entre la mecánica cuántica y la relatividad general. Este es uno de los campos menos explorados de la física en la actualidad y cualquier resultado en esta línea sería un resultado revolucionario. “

Para aquellos de nosotros que no pasamos nuestros días contemplando por qué los efectos cuánticos son incompatibles con las teorías de la gravedad, los relojes más precisos tienen beneficios más prácticos, aunque prosaicos. Todo, desde GPS hasta llamadas móviles y transacciones electrónicas, requiere una referencia de tiempo precisa. Cualquier desarrollo tecnológico en el pasado ha dado lugar a una nueva aplicación. Un nuevo descubrimiento probablemente mejoraría esos servicios o crearía otros nuevos.

Pero, ¿cuál es el límite máximo?

“Los teóricos nos dicen que algo sucederá definitivamente en la escala de Planck, que es extremadamente pequeña”, dice Poli. La escala de tiempo de Planck corresponde a la cantidad de tiempo que le tomaría a la luz recorrer la longitud de Planck, que es 0.00000000000000000001 veces la longitud de un protón. En esencia, es un período de tiempo incomprensiblemente corto y aún no estamos cerca de ese nivel de precisión. “Está al menos a 25 órdenes de magnitud de donde estamos ahora”, dice Poli.

En nuestro camino hacia una precisión sin precedentes, es posible que nos encontremos con algo nuevo.

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