He leído sobre el enfriamiento de átomos a un cuarto de una milésima de grado por encima del cero absoluto. Según el físico William Phillips, esto mejora la medición de la frecuencia del tictac. Tengo tres preguntas básicas relativas a este tema;
¿Cómo mejora la medición? ¿Altera la frecuencia de tictac? ¿Para qué sirve el enfriamiento?
Si pudiéramos enfriar el reloj atómico al cero absoluto, ¿se detendría, en teoría, por completo?
En los casos en que se utilizan relojes atómicos para demostrar la dilatación del tiempo, ¿se alteran las frecuencias de tictac de los relojes entre sí?
La forma en que funcionan los relojes atómicos es producir una señal de microondas con exactamente la frecuencia de la transición atómica que se está utilizando. Entonces, para el cesio, esto sería 9,192,631,770 Hz. Luego podemos contar las oscilaciones de nuestro generador de microondas para medir el tiempo.
Prácticamente haces esto sintonizando tu señal de microondas para maximizar su absorción por los átomos de cesio. La absorción es máxima cuando la frecuencia de microondas coincide exactamente con la frecuencia de la transición de cesio.
El problema es que la línea de absorción de los átomos de cesio tiene un ancho distinto de cero, por lo que la absorción de su microondas es alta en un rango de frecuencias, y eso hace que sea difícil sintonizar exactamente la frecuencia de microondas. Para obtener la mejor precisión, desea que el ancho de la línea de absorción sea lo más pequeño posible.
Como dice Ari, la línea tiene un ancho natural asociado con el tiempo de vida del estado excitado hiperfino. Podemos hacer poco al respecto, pero en la práctica el ancho de la línea es mayor que el ancho natural por razones que podemos abordar.
Las colisiones entre átomos harán que la línea se ensanche en un proceso llamado (como era de esperar) ampliación de colisión . Obviamente, el enfriamiento reducirá la tasa de colisión al disminuir las velocidades térmicas de los átomos de cesio, pero la ampliación de la colisión no es un gran problema en los relojes de cesio.
El gran problema es el ensanchamiento Doppler . Incluso si las velocidades térmicas aleatorias de los átomos de cesio son solo unos pocos metros por segundo, esto crea un desplazamiento Doppler medible en la luz que reciben los átomos y, como resultado, aumenta el ancho de la línea de absorción. La solución es enfriar los átomos para reducir las velocidades térmicas y, por lo tanto, reducir el ancho de la línea a algo parecido a su ancho natural.
Al abordar la tercera pregunta, las frecuencias de los relojes son las mismas cuando cada uno se ve en su propio marco de reposo. Cuando se ve un reloj en un cuadro en movimiento, es cuando cambia su frecuencia. Registras los ticks y sus ubicaciones (que son diferentes porque el reloj se está moviendo) y descubres que el tiempo entre ticks ahora es más largo.
Ah, y abordando la segunda pregunta, no. Esto tiene que ver con el significado de la temperatura. Una temperatura es una función que indica cuál es el número de ocupación para cada nivel de energía del sistema. Cuáles son exactamente las cositas que ocupan cada nivel de energía puede ser muy poco intuitivo; no siempre son solo átomos completos o partículas completas. Entonces, nos saltearemos eso. Pero el punto principal es que para cada energía hay un número, y para cada temperatura hay una función.
Bien, entonces, ¿qué sucede cuando las ocupaciones reales no coinciden con ninguna función de temperatura? Se dice que la distribución es no térmica.
En un reloj de cesio, este es el caso. Hay una temperatura asociada con los átomos antes de que empieces a medir, pero una vez que haces brillar esta onda sobre ellos, la asociada con la transición hiperfina, entonces el número para ese nivel de energía sube mucho. Así que tenemos una forma principalmente térmica con un nivel de energía incorrecto. Entonces, es fácil ver por qué alguien llamaría a eso térmico y nombraría una temperatura. Simplemente omite el único nivel de energía impar.
Si haces eso para el cero absoluto, aún podrías tener un reloj; el reloj seguiría funcionando. Sólo tienes que entender lo que significa.
No. Enfriar el átomo no alterará su frecuencia. Lo que el científico quiso decir al decir que los relojes serán mejores es que serán mucho más precisos.
Esto proviene del principio de la mecánica cuántica, de hecho, una de sus consecuencias más bellas, el principio de incertidumbre de Heisenberg. Lo que dice (en una de sus variedades) que la incertidumbre en la energía es inversamente proporcional a la incertidumbre en el tiempo. Ahora, si enfría un reloj atómico a su estado fundamental, la incertidumbre en la energía disminuye. Ahora la frecuencia es inversa al tiempo, por lo que su incertidumbre también disminuye y se mide con precisión.
Pero si llegas a 0 grados Kelvin. Todos los átomos estarán en estado fundamental, por lo que no habrá transición de un estado a otro, y todos los relojes atómicos se detendrán (al igual que todo lo demás). Entonces, disminuir la temperatura cerca de cero tiene efectos diferentes que llevar la temperatura al cero absoluto (que de todos modos es inalcanzable).
Juan Rennie