En 1905 Albert Einstein dio a conocer su Teoría de la Relatividad Especial, que solucionaba algunas paradojas de la mecánica clásica, relacionadas con las medidas de la velocidad de la luz.
Esta teoría introdujo además por vez primera el concepto de espacio-tiempo como entidad geométrica en la que se desarrollan todos los eventos físicos del universo.
El espacio-tiempo hace referencia a la necesidad de considerar de manera unificada la localización geométrica tanto en el tiempo como en el espacio, dado que la diferencia entre componentes espaciales y temporales es relativa, y depende del estado de movimiento del observador.
Uno de los fenómenos predichos posteriormente por la Teoría de la Relatividad Especial fue el de la dilatación del tiempo, descrito con la imagen de dos relojes que, moviéndose respecto a un sistema de referencia inercial (un hipotético observador inmóvil), debían funcionar más despacio (este efecto fue explicado con las llamadas transformaciones de Lorentz).
Por otro lado, en la Teoría de la Relatividad General se señala que los relojes sometidos a potenciales gravitatorios mayores, como aquellos que se encuentren cerca de un planeta, marcan el tiempo más lentamente.
Constatación precisa de la dilatación
Para los científicos, la dilatación del tiempo resulta uno de los aspectos más fascinantes de la relatividad especial, dado que acaba con la noción del tiempo absoluto. Esta dilatación fue observada por vez primera de manera experimental en 1938 por Ives y Stilwell, y también, más adelante, por otros físicos, como Pound y Rebka (en 1959).
Ahora, una nueva investigación realizada en el Instituto Max Planck de Física Nuclear, y cuyos resultados aparecen publicados en la revista Nature, ha conseguido constatar con una precisión sin precedentes el fenómeno de la dilatación del tiempo.
En los últimos años, ha ido creciendo el interés por la posibilidad de experimentar y probar con mayor certeza, gracias a la tecnología moderna, algunas teorías científicas porque nada indica que la teoría de Einstein sea una descripción exacta de la realidad en todas las situaciones y fenómenos.
Espectroscopia de absorción saturada
La técnica utilizada por los científicos del Instituto Max Planck procede de la óptica cuántica, un campo de investigación que se ocupa de la aplicación de la mecánica cuántica a fenómenos que implican la luz y sus interacciones con la materia.
La técnica empleada se conoce como espectroscopia de absorción saturada, siendo la espectroscopia el estudio del espectro luminoso de los cuerpos. El desarrollo de la espectroscopia basada en el láser es la obra de uno de los artífices del experimento del Instituto Max Planck, el alemán Theodor Wolfgang Hänsch, Premio Nobel de Física en 2005 por esta contribución.
Siguiendo esta técnica, los investigadores utilizaron dos láseres, uno con una frecuencia, o número de oscilaciones por segundo, estable; y otro láser de frecuencia modulable. Asimismo, fabricaron unos paquetes de átomos de litio-7 (Li7) ionizados y con dos niveles energéticos parecidos, lo que dio lugar a una frecuencia de transición electrónica de alrededor de 546 terahercios (THz).
Relojes atómicos ópticos
Tal y como explican los científicos en Nature, el método seguido está basado en relojes ópticos atómicos, es decir, en un tipo de relojes muy exactos que se regulan por la vibración de las frecuencias de determinados átomos o moléculas.
Los iones de litio fueron lanzados a una velocidad del 6,4% y del 3%, respectivamente, de la velocidad de la luz, sobre un anillo de almacenamiento magnético. Posteriormente fueron iluminados en dos direcciones opuestas con los láseres antes mencionados, de frecuencias distintas, cuyos fotones provocaron en los iones una re-emisión por fluorescencia. De esta forma, se produjo una resonancia en la intensidad de la luz absorbida por los iones, que no era la misma con ambos láser.
Según la teoría de la relatividad especial y las fórmulas del llamado efecto Doppler (que consiste en la variación de la longitud de onda de cualquier tipo de onda emitida o recibida por un objeto en movimiento), el producto de las dos frecuencias es igual a la frecuencia de transición entre los niveles de energía atómica precedentes, cuando los iones se encuentran en reposo en el referencial del laboratorio.
Precisión inédita
El acuerdo de las predicciones de la relatividad especial, en lo que concierne al factor de la dilatación relativista el tiempo en el efecto Doppler, arroja una precisión de esta dilatación del tiempo 10 veces mayor que las obtenidas con el sistema de satélites GPS.
Aunque los satélites GPS han sido utilizados hasta ahora para medir la dilatación del tiempo predicha por Einstein, el estudio alemán señala que su experimento supera la sensibilidad obtenida por los GPS.
El experimento alemán no sólo confirma por tanto la validez de la dilatación del tiempo predicha por Einstein con una precisión inédita, sino que además aporta un importante punto de referencia para futuras aplicaciones prácticas, como la mejora del Sistema de Posicionamiento Global (GPS en inglés).
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