El reloj de Compton recientemente construido está basado en la interferencia de ondas de materia. Permite ayudarnos a pensar sobre la naturaleza del tiempo e incluso puede facilitar la construcción de una masa patrón.
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Sabemos que sólo con fotones no podemos construir un reloj, porque para un fotón el tiempo no existe, sólo el espacio. Para construir un reloj se necesitan además partículas con masa.
Cuando construimos cualquier reloj necesitamos algo que oscile, como por ejemplo el péndulo de un reloj de pared, y un sistema que cuente las oscilaciones producidas.
La Mecánica Cuántica asocia una frecuencia de Compton a las partículas con masa que es ω 0=2πmc2/h. Podemos usar esa frecuencia como fuente de las oscilaciones en un reloj muy fundamental. Si conocemos muy bien la masa de una partícula podemos saber su frecuencia. O viceversa, si conocemos su frecuencia podemos medir su masa. Es decir, una sola partícula con masa es suficiente para construir un reloj.
Holger Müller y su equipo de investigadores de la Universidad California en Berkeley han usado precisamente esta propiedad para construir un reloj de Compton, o una balanza de Compton que mida directamente masas, depende del punto de vista. Según dice Müller “una roca es un reloj, por así decirlo”.
Para construirlo se han valido de un interferómetro de materia que usa una nube de un millón de átomos de cesio. Pero hacer esto no es nada fácil. Las ondas de materia tienen una frecuencia que es unas 10.000 millones de veces mayor que la de la luz visible. De hecho, el reloj obtenido es millones de veces más impreciso que los relojes atómicos tradicionales. Este reloj variaría mucho: un segundo cada ocho años. Es la precisión que tenían los primeros relojes atómicos de hace unos 50 años, pero quién sabe lo que se puede mejorar en unas décadas.
Los mejores relojes experimentales actuales varían sólo 1 segundo cada 3100 millones de años. Si se hubiera construido uno de estos relojes justo después del Big Bang habría atrasado o adelantado menos de 5 segundos.
El valor de este nuevo reloj es sobre todo conceptual, al menos de momento, ya que permite explorar ideas fundamentales de la Física. Ya hay debate sobre si lo obtenido es un reloj o no lo es y hay voces críticas. Cohen-Tannoudji (ganador en 1997 del premio Novel de Física) dice que lo que en realidad se ha medido es la frecuencia de retroceso.
Pero, además, este concepto podría servir en el futuro para redefinir el kilogramo patrón. Como sabemos, esta unidad de masa es la única que depende de un objeto material específico, en concreto un bloque de platino iridiado, objeto que ha aumentado ligeramente su masa debido a la oxidación. A día de hoy no se dispone de un sistema para recrear el kilogramo patrón, a diferencia de las demás unidades que tienen definiciones que permiten su reproducción en cualquier laboratorio lo suficientemente avanzado. Hay varias propuestas para redefinir el kilogramo patrón y ésta sería una de ellas. Aunque Müller están pensando, más bien, en un patrón construido a partir de un monocristal de silicio cuyo número de átomos que lo componen se conoce con precisión, objeto al que se ha denominado “esfera de Avogadro”.
Observar o medir directamente la frecuencia de Compton no es posible porque es muy elevada, pero nos podemos valer de un interferómetro de materia. Un instrumento de este tipo es muy similar, desde el punto de vista conceptual, a un interferómetro óptico, pero en lugar de hacer interferir entre sí fotones se hace interferir partículas, pues éstas tienen una frecuencia (y una longitud de onda) asociada.
No es la primera vez que se usa este tipo de interferómetros. Hace dos años este mismo equipo lo usó para comprobar el corrimiento al rojo de las ondas de materia en un campo gravitatorio, lo que confirmaba, una vez más, la Relatividad.
En este caso se han valido además del famoso efecto de la dilatación temporal que ocurre cuando nos movemos a cierta velocidad. En este caso son átomos de cesio, que al moverse a cierta velocidad respecto a átomos de cesio en reposo tienen una frecuencia de oscilación ligeramente distinta. Cuando sus ondas de materia interfieren, esa diferencia de frecuencias puede ser medida. Para poder inducir el movimiento en parte de estos átomos de cesio los investigadores usaron los fotones de un haz láser. Un peine de frecuencia permitió la sincronización del láser con la diferencia de frecuencia entre las ondas de materia que acabamos de ver. El punto principal es que todas las frecuencias implicadas estaban referenciadas solamente a las ondas de materia.
Según Müller cualquier otro reloj necesita, al menos dos partículas que interacciones, pero este reloj de Compton está basado enteramente en sólo una partícula con masa, porque, en principio, se podría construir un reloj de este tipo con sólo un átomo.
Cuando se pregunta a Müller sobre lo que es el tiempo responde: “no creo que nadie pueda nunca tener una respuesta definitiva, pero conocemos un poco más acerca de sus propiedades. El tiempo es físico tan pronto como hay una partícula con masa, pero es definitivamente algo que no necesita de más de una partícula con masa para existir. Sabemos que una partícula sin masa, como un fotón, no es suficiente.”
Si con una sola partícula con masa se puede construir un reloj entonces el tiempo existía durante los primeros instantes del Big Bang, porque, al menos había bosones de Higgs.
Müller espera que pueda usar esta misma técnica con partículas más pequeñas, tal vez con electrones o incluso positrones en el caso de que se quiera construir un reloj de antimateria. Tiene esperanzas que incluso un día se pueda saber que hora es usando un reloj basado en las fluctuaciones del vacío.
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Fuentes y referencias:
Nota de prensa.
Artículo original.
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