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Relojes Atómicos Espeluznantes

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Relojes Atómicos Espeluznantes

Con el apoyo de NASA, investigadores esperan mejorar la precisión de los relojes atómicos mediante la sincronización de sus átomos.

NASA

Enero 23, 2004: Einstein lo llamó "efecto fantasmal a distancia". Para perfeccionar los relojes atómicos, la forma mas precisa de medir el tiempo, investigadores financiados por la NASA están usando un asombroso fenómeno de la mecánica cuántica llamado "entrelazamiento" (N. del T: también se conoce en español como "no localidad", "estados cuánticos entrelazados" o paradoja EPR -- Einstein Podolski Rosenen; en inglés "entanglement" ). Los relojes sincronizados de esta forma, podrían ser 1000 veces más precisos que los actuales.

ver leyendaEsta mejora podría beneficiar a pilotos, granjeros, exploradores, y a todos aquellos que usan el sistema GPS (Sistema de Posicionamiento Global). Cada uno de los más de 24 satélites GPS lleva en su interior cuatro relojes atómicos. En un proceso de triangulación, los receptores GPS utilizan las señales de tiempo emitidas por los satélites para calcular la posición.

Derecha:  Los estados cuánticos entrelazados poseen aspectos extraños. En este experimento, fotones entrelazados son teletransportados de un lugar a otro dentro del laboratorio.

La NASA utiliza los relojes atómicos para la navegación. Los geólogos los usan para monitorear la deriva de los continentes, y los cambios en la rotación de la Tierra. Los físicos los usan para verificar las teorías de la gravedad. Un reloj atómico entrelazado podría tener suficiente precisión como para verificar la Constante de la Estructura Fina, una de las constantes fundamentales de la física.

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"La habilidad de medir el tiempo con elevadísima precisión es una herramienta incalculable para la investigación científica y la tecnología", dice Alex Kuzmich, físico del Instituto de Tecnología de Georgia.

A través de sus oficinas de Investigaciones Biológicas y Físicas, NASA recientemente otorgó financiación a Kuzmich y sus colegas, para apoyo de sus proyectos. Hace 10 años que Kuzmich estudia los estados cuánticos entrelazados, y recientemente se ha enfocado en su aplicación a los relojes atómicos.

Partículas entrelazadas

A Einstein nunca le agradó el entrelazado de partículas. Parece contradecir un principio central de la teoría de la relatividad: nada -- incluida la información -- puede viajar mas rápido que la luz. En mecánica cuántica, todas las fuerzas de la naturaleza se basan en el intercambio de partículas tales como los fotones. Estas partículas deben respetar el límite de la velocidad de la luz en el vacío. Según este principio, una causa "aquí" no puede resultar en un efecto "allá", antes de la demora de la luz en viajar hasta "allá" en el vacío.

Sin embargo, dos partículas entrelazadas parecen influenciarse instantáneamente, ya sea que estén en la misma habitación o en lugares opuestos del universo. Muy extraño, en verdad.

ver leyendaEl entrelazado cuántico ocurre cuando dos partículas interactúan de tal modo que sus estados cuánticos se mezclan. Es imposible, entonces, considerar (o describir matemáticamente) la condición de cada partícula en forma independiente de la otra. De manera colectiva forman un solo estado cuántico.

Izquierda:  Medir un parámetro de una partícula entrelazada afecta instantáneamente las propiedades de la otra. Imagen por Patrick L. Barry.

A menudo, dos partículas entrelazadas presentan valores opuestos de una propiedad, por ejemplo, si una tiene espín hacia "arriba", la otra debería tener espín hacia "abajo". Supongamos que usted mide una de las partículas, y al hacerlo, vuelca su espín hacia arriba. Esto causará que la otra partícula invierta su espín hacia abajo. El solo hecho de efectuar la medición afectó a la otra partícula instantáneamente, aunque se encuentre a un millón de kilómetros de distancia.

Mientras los físicos y los filósofos luchan con las implicaciones sobre la causalidad y la estructura del Universo, algunos físicos se ocupan de poner al EPR a trabajar en aplicaciones como el teletransporte de átomos y la criptografía cuántica (supuestamente inviolable).

ver leyendaLos relojes atómicos también saldrán beneficiados: "entrelazar los átomos, reduce la incertidumbre inherente del sistema", dice Kuzmich.

En el corazón de cada reloj atómico reposa una nube de átomos: generalmente cesio o rubidio. La resonancia natural de estos átomos hace el papel de péndulo. Un rayo láser atraviesa la nube y cuenta las oscilaciones, usándolas para medir el tiempo. Esta es la manera como funciona un reloj atómico.

Derecha: Los láser son un componente clave de los relojes atómicos, ya sean estándar o entrelazados. Haga clic aquí para aprender más.

"El mejor reloj atómico de que disponemos actualmente tiene una precisión de uno en 1015", hace notar Kuzmich. Esto significa que un observador tendría que mirar el reloj por 1015 segundos o 30 millones de años, para observar un error no mayor de un segundo.

La precisión de un reloj atómico depende de varios factores, entre ellos, del número de átomos utilizados. Mientras más átomos, mejor. En un reloj atómico estándar la precisión es proporcional a la raíz cuadrada del número de átomos utilizados. De este modo, cuadruplicando el número de átomos, solo se consigue duplicar la precisión. Mientras que en un reloj atómico entrelazado, la precisión es proporcional al número de átomos. Entonces, cuatro veces mas átomos, significa un reloj cuatro veces mas preciso.

Usando un gran numero de átomos seria posible construir un reloj atómico entrelazado, con una precisión de una parte en 1018", dice Kuzmich. Usted tendría que observar el reloj por 1018 segundos o 30 mil millones de años para verlo perder un solo segundo.

Kuzmich piensa usar el mismo láser del reloj atómico para conseguir el entrelazado de partículas.

ver leyenda"Mediremos la fase del láser que atraviesa la nube de átomos" explica. La medición de fase afecta el haz del laser, pero si la frecuencia del láser se elige apropiadamente, la interacción con el mismo hace que los átomos entrelacen sus estados cuánticos. O, como diría un físico, "el efectuar una medición cuántica no destructiva (QND), prepara un estado de espines entrelazados", agrega Kuzmich.

Arriba: El profesor de física del Instituto Tecnológico de Georgia, Alex Kuzmich.

Qué tan pronto se podrá construir un reloj atómico entrelazado es difícil de predecir, y aún más difícil es predecir cúando uno de estos relojes sería incluído en una hipotética nueva generación de satélites GPS enviados al espacio, advierte Kuzmich. Las investigaciones aún están en la etapa de demostración del principio. Para construir un prototipo que funcione, es probable que se necesiten varios años.

Gracias a investigaciones como esta, sin embargo, el disponer de mejores relojes atómicos para la ciencia y la tecnología es solo cuestión de tiempo.

Enlaces a la Red (en inglés y español)

Tictac, Reloj Atómico -- (Ciencia@NASA) Los científicos están construyendo relojes atómicos que funcionan con una precisión inconcebible. Estos instrumentos beneficiarán a los agricultores, los físicos y los viajeros interestelares.

Prof. Alex Kuzmich -- Profesor del Instituto de Tecnología de Georgia y su equipo de investigación, incluyendo a Ryan Smith y Dmitry Matsukevich.

La Oficina de Investigaciones Físicas y Biológicas (Office of Biological and Physical Research) de la NASA apoya estudios de física fundamental para eleneficio de la humanidad en la Tierra y en el espacio.

¿Qué es un segundo atómico? En un reloj atómico se utiliza un oscilador electrónico sincronizado con la frecuencia de oscilación natural de un átomo, usualmente cesio 133. Cuando la energía de un átomo de cesio cae entre dos estados determinados, emite un fotón de microondas. Por decreto de la Decimotercera Conferencia General de Pesos y Medidas en 1967, un segundo es igual a 9.192.631.770 oscilaciones de esta señal de microondas.


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Créditos y Contactos

Autor: Patrick L. Barry
Funcionario Responsable de NASA: John M. Horack
Editor de Producción: Dr. Tony Phillips
Curador: Bryan Walls


Relaciones con los Medios: Steve Roy Traducción al Español: Mario Torres/Carlos Román
Editor en Español: Héctor Medina
El Directorio de Ciencias del Centro Marshall para Vuelos Espaciales de la NASA patrocina el Portal de Internet de Science@NASA que incluye a Ciencia@NASA. La misión de Ciencia@NASA es ayudar al público a entender cuán emocionantes son las investigaciones que se realizan en la NASA y colaborar con los científicos en su labor de difusión.