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Si te subes a una escalera, envejeces

por Mario 26 septiembre, 2010, 7:37 pm 20 Comments

No, no lo tomes al pie de la letra. Es una expresión metafórica que surge luego de un estudio realizado por científicos del NIST donde comparan a varios de los mejores relojes atómicos del mundo para demostrar la teoría de que envejecemos más rápido cuando estamos parados, al menos, un par de pasos más arriba en una escalera que si estuviéramos a ras del suelo. Este es uno de los aspectos de la teoría de la relatividad de Einstein que ya se ha medido y comparado entre relojes en la superficie de la tierra respecto a los que van ubicados dentro de las naves espaciales. En este artículo de domingo, veremos desde nuevos relojes basados en iones de átomos de aluminio hasta la paradoja de los gemelos. Imperdible

Los físicos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) han medido este efecto en una escala con segmentos definidos de 33 centímetros (1 pie según las normas de medición americana) y han demostrado, por ejemplo, que envejecemos más rápido cuando estamos parados un par de pasos más alto en una escalera que si estuviéramos sobre el suelo. Descripto en la revista Science del 24 de septiembre, el texto expresa que “la diferencia es demasiado pequeña para los seres humanos para percibirla en forma directa”. Los valores observados alcanzan cerca de 90 mil millonésimas de segundo en más de 79 años de vida, es decir, nada que pueda ser detectado de manera grosera, “pero puede proporcionar aplicaciones prácticas y muy interesantes en geofísica y otros campos de las ciencias”, agrega el texto.

Del mismo modo, los investigadores del NIST expresan otro aspecto de la relatividad: afirman que el tiempo pasa más despacio cuando una persona se mueve más rápido, esto es trasladarse de un lugar a otro a una velocidad comparable a la de un automóvil que viaja a unos 30 kilómetros por hora, una escala más comprensible que las mediciones tradicionales realizadas con aviones a reacción. Los científicos del NIST realizan ahora nuevos experimentos con la "dilatación del tiempo" mediante la comparación de las operaciones de dos relojes atómicos experimentales. Los relojes son casi idénticos y están basados en el "tic-tac" de un simple ión de aluminio (un átomo cargado eléctricamente) que vibra entre dos niveles de energía más de mil millones de veces por segundo. Un reloj mantiene la hora dentro de 1 segundo en alrededor de 3,7 millones de años, y el otro posee un rendimiento idéntico en la práctica. Los dos relojes están situados en diferentes laboratorios en el NIST y conectados por una fibra óptica de 75 metros de largo.

Los relojes atómicos de aluminio del NIST, también llamados "relojes de lógica cuántica", son precisos y suficientemente estables como para revelar pequeñas diferencias que no se podían ver hasta ahora. Los relojes funcionan bajo el brillo de la luz de un haz láser aplicado sobre los iones en la gama de las frecuencias ópticas, que son mucho más altas que las frecuencias de microondas utilizadas en los relojes atómicos habituales de hoy basados en el átomo de cesio. Estos relojes ópticos, afirman los investigadores de NIST, podrían conducir algún día a obtener normas de tiempo 100 veces más precisas que los relojes atómicos actuales. Los relojes de aluminio puede detectar pequeños efectos basados en la relatividad debido a su extrema precisión y alto "factor Q", esto es, “una cantidad que refleja de forma fiable la energía óptica que el ion absorbe y retiene en el cambio desde un nivel de energía a otro”, explica el investigador post-doctoral del NIST James Chin-Wen Zhou, primer autor de la investigación.

"Hemos observado el mayor factor Q en la física atómica", dice Chou. "Usted puede pensar en ello como el tiempo que una cuerda de una guitarra vibra antes de que pierda la energía almacenada en su estructura de resonancia. Tenemos el ion oscilando en sincronía con la frecuencia del laser de cerca de 400 mil millones de ciclos". Los experimentos del NIST se centraron en dos escenarios predichos por Einstein en su teoría de la relatividad. En primer lugar, cuando dos relojes están sometidos a fuerzas gravitacionales desiguales (debido a sus diferentes elevaciones por encima de la superficie de la Tierra), el reloj ubicado a mayor altura estará expuesto a una menor fuerza gravitacional, por lo tanto, su funcionamiento se ejecutará más rápido. En segundo lugar, cuando un observador se mueve, los movimientos de un reloj (funcionando) que permanece inmóvil (quieto respecto al observador móvil) en un lugar parecen durar más tiempo, por lo que el mencionado reloj aparenta correr de manera más lenta. Los científicos también suelen referirse a esto como la "paradoja de los gemelos", en el que uno de los hermanos gemelos, luego de viajar en un cohete a una gran velocidad, regresa más joven que el otro gemelo que se quedó en Tierra. El factor crucial allí es la aceleración (la aceleración y desaceleración) del viaje doble realizado en su recorrido de ida y vuelta.

Los científicos del NIST han observado estos efectos al hacer cambios específicos en uno de los dos relojes de aluminio y en las diferencias resultantes de las actitudes de los iones en sus desempeños o, dicho de otro modo, en su frecuencia de trabajo. En una serie de experimentos, los científicos levantaron uno de los relojes a una altura de un tercio de un metro por encima del segundo reloj. Efectivamente, el reloj ubicado en la posición más alta corrió a un ritmo “ligeramente” más rápido que el reloj ubicado en la posición inicial (o más baja), exactamente como se predijo. En el segundo conjunto de experimentos, examinaron los efectos de alterar el movimiento físico de los iones en uno de los relojes. Vale aclarar que los iones son completamente inmóviles durante las operaciones normales del reloj. Los científicos del NIST lograron capturar y manipular unos de los iones y lo impulsaron de manera que girase hacia atrás y adelante a velocidades equivalentes a varios metros por segundo. Este reloj marcó a un ritmo ligeramente más lento que el otro reloj, también según lo predicho por la relatividad. Es decir, realizando un movimiento que simula en los iones el viaje doble, como en la paradoja de los gemelos.

Estas comparaciones de los relojes súper-precisos y su influencia en las mediciones del tiempo pueden ser útiles para la geodesia, la ciencia que observa la relación que existe entre la Tierra y su campo gravitatorio, con aplicaciones en geofísica e hidrología. Además, es posible que pueda servir para las pruebas basadas en el espacio sobre las teorías de la física fundamental, sugiere el físico Hasta Rosenband, líder del equipo de relojes de iones de aluminio del NIST. Estos científicos esperan mejorar la precisión de los relojes de aluminio aún más (10 veces), a través de cambios en la geometría de trampa de iones y un mejor control del movimiento de iones y la interferencia ambiental. El objetivo es medir las diferencias en el cronometraje lo suficientemente bien como para medir los cambios a alturas mínimas, con una precisión de 1 centímetro, es decir, un nivel de rendimiento adecuado para realizar mediciones geodésicas.

Fuente:National Institute of Standards and Technology

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