Un reloj de ondas de materia es un tipo de reloj cuyo principio de funcionamiento hace uso de las aparentes propiedades ondulatorias de la materia.
Las ondas de materia fueron propuestas por primera vez por Louis de Broglie y a veces se las llama ondas de De Broglie. Forman un aspecto clave de la dualidad onda-partícula y los experimentos desde entonces han apoyado la idea. La onda asociada con una partícula de una masa dada, como un átomo , tiene una frecuencia definida y un cambio en la duración de un ciclo de pico a pico que a veces se llama su periodicidad Compton . Una onda de materia de este tipo tiene las características de un reloj simple, en el sentido de que marca intervalos de tiempo fijos e iguales. La paradoja de los gemelos que surge de la teoría de la relatividad de Albert Einstein significa que una partícula en movimiento tendrá un período ligeramente diferente al de una partícula estacionaria. La comparación de dos de estas partículas permite la construcción de un "reloj Compton" práctico. [1]
De Broglie propuso que la frecuencia f de una onda de materia es igual a E / h , donde E es la energía total de la partícula y h es la constante de Planck . Para una partícula en reposo, la ecuación relativista E = mc 2 permite derivar la frecuencia Compton f para una partícula masiva estacionaria, igual a mc 2 / h .
De Broglie también propuso que la longitud de onda λ para una partícula en movimiento era igual a h / p, donde p es el momento de la partícula.
El período (un ciclo de la onda) es igual a 1/ f .
Se dice que esta periodicidad Compton precisa de una onda de materia es la condición necesaria para que exista un reloj, lo que implica que cualquier partícula de materia de ese tipo puede considerarse un reloj fundamental. Esta propuesta se ha denominado "Una roca es un reloj". [2]
En su artículo "Mecánica cuántica, ondas de materia y relojes en movimiento", Müller ha sugerido que "La descripción de las ondas de materia como relojes de ondas de materia... se ha aplicado recientemente a pruebas de relatividad general, experimentos de ondas de materia, los fundamentos de la mecánica cuántica, la decoherencia del espacio-tiempo cuántico, el reloj de ondas de materia/patrón de masa, y ha conducido a una discusión sobre el papel del tiempo propio en la mecánica cuántica. Es generalmente covariante y, por lo tanto, muy adecuado para su uso en el espacio-tiempo curvo, por ejemplo, las ondas gravitacionales". [3]
En su artículo, "Mecánica cuántica, ondas de materia y relojes en movimiento", Müller ha sugerido que "[El modelo] también ha dado lugar a una buena cantidad de controversia. Dentro del contexto más amplio de la mecánica cuántica ... esta descripción ha sido abandonada, en parte porque no podía usarse para derivar una teoría cuántica relativista, o explicar el espín. Las descripciones que reemplazaron la imagen del reloj logran estos objetivos, pero no motivan los conceptos utilizados. ... Construiremos una ... descripción de las ondas de materia como relojes. Así llegaremos a una integral de trayectoria espacio-temporal que es equivalente a la ecuación de Dirac. Esta derivación muestra que la teoría de ondas de materia de De Broglie conduce naturalmente a partículas con espín 1/2. Se relaciona con la búsqueda de Feynman de una fórmula para la amplitud de una trayectoria en 3+1 dimensiones de espacio y tiempo que sea equivalente a la ecuación de Dirac. Produce una nueva interpretación intuitiva de la propagación de una partícula de Dirac y reproduce todos los resultados de la mecánica cuántica estándar, incluidos aquellos supuestamente en desacuerdo con ella. De este modo, se pone de relieve el papel del corrimiento al rojo gravitacional y del tiempo propio en la mecánica cuántica”. [3]
La idea teórica de las ondas de materia como relojes ha provocado cierta controversia y ha atraído fuertes críticas. [4] [5]
Un interferómetro atómico utiliza una pequeña diferencia en las ondas asociadas a dos átomos para crear un patrón de interferencia observable. Tradicionalmente, estas ondas se asocian con los electrones que orbitan alrededor del átomo, pero la teoría de las ondas de materia sugiere que también se puede utilizar la onda asociada con la dualidad onda-partícula del propio átomo.
Un dispositivo experimental consta de dos nubes de átomos, una de las cuales recibe un pequeño "impulso" de un láser ajustado con precisión. Esto le otorga una velocidad finita que, según la teoría de las ondas de materia, reduce su frecuencia observada. A continuación, las dos nubes se recombinan de modo que sus diferentes ondas interfieran y la señal de salida máxima se obtiene cuando la diferencia de frecuencia es un número entero de ciclos.
Se afirma que los experimentos diseñados en torno a la idea de la interferencia entre ondas de materia (como relojes) han proporcionado la validación más precisa hasta el momento del corrimiento al rojo gravitacional predicho por la relatividad general . Un interferómetro atómico similar forma el corazón del reloj Compton.
Sin embargo, esta interpretación de la función de interferometría ha sido criticada. Una crítica es que en el diseño de ningún experimento real aparece un oscilador Compton real o una onda de materia. [6] También se dice que la interpretación de la onda de materia es errónea. [4] [5]
Un reloj funcional diseñado sobre la base de la interferometría de ondas de materia se llama reloj Compton. [2]
La frecuencia de la onda asociada a una partícula masiva, como un átomo, es demasiado alta para ser utilizada directamente en un reloj práctico y su período y longitud de onda son demasiado cortos. Un dispositivo práctico hace uso de la paradoja de los gemelos que surge de la teoría de la relatividad , donde una partícula en movimiento envejece más lentamente que una estacionaria. Por lo tanto, la partícula-onda en movimiento tiene una frecuencia ligeramente menor. Usando interferometría , la diferencia o "frecuencia de batido" entre las dos frecuencias se puede medir con precisión y esta frecuencia de batido se puede usar como base para llevar el tiempo. [3]
La técnica utilizada en los dispositivos se puede revertir teóricamente para utilizar el tiempo para medir la masa. Esto se ha propuesto como una oportunidad para reemplazar el cilindro de platino-iridio que se utiliza actualmente como patrón de referencia de 1 kg. [ necesita actualización ] [2]