Científicos detectan efectos de la gravedad de Einstein en el ámbito cuántico
Un grupo de investigación internacional, con participación de la Universidad Ben-Gurion del Negev (Israel), la Universidad de Ulm (Alemania) y la Universidad de Oxford (Reino Unido), entre cuyos integrantes se encuentra el profesor Sir Roger Penrose, físico galardonado con el Premio Nobel, ha logrado observar por primera vez un efecto de la gravedad sobre un objeto cuántico en caída libre. Este hallazgo, largamente esperado, confirma que un principio esencial de la teoría gravitatoria de Einstein es compatible con el comportamiento de la materia en el ámbito cuántico. El estudio ha sido publicado en la revista Science Advances.
Durante más de cien años, la física se ha basado en dos teorías altamente efectivas para describir la naturaleza. La mecánica cuántica explica el comportamiento peculiar de los átomos y otras partículas diminutas, mientras que la teoría de la gravedad de Einstein describe cómo los objetos caen y cómo la gravedad moldea el universo. Sin embargo, aún no se comprende con claridad la convivencia y el vínculo entre ambas teorías.
El experimento llevado a cabo por este equipo aborda el punto de encuentro entre estos dos marcos. Los científicos detectaron un cambio particular en las propiedades cuánticas de átomos que caían bajo la influencia de la gravedad. Resulta fundamental destacar que la observación se ajusta al resultado previsto al aplicar el principio de equivalencia de Einstein —que es un pilar de su teoría de la gravedad— a un objeto en estado cuántico.
- Principio de equivalencia y mecánica cuántica
- El experimento con interferómetro cuántico de Galileo
- Resultados y implicaciones
- Perspectivas futuras
Principio de equivalencia y mecánica cuántica
El principio de equivalencia plantea que para un observador en caída libre la gravedad desaparece localmente. Por ejemplo, alguien que cayera en un ascensor sentiría ingravidez. Este principio ha superado pruebas muy rigurosas con materia clásica, pero hasta ahora no se había podido confirmar experimentalmente en objetos cuánticos, que poseen comportamientos como ondas y pueden recorrer múltiples trayectorias simultáneamente.
El experimento con interferómetro cuántico de Galileo
El núcleo del experimento es un dispositivo bautizado como Interferómetro Cuántico de Galileo. Éste permitió dividir la onda cuántica de un átomo en dos trayectorias: una mantenida fija y la otra en caída libre. Luego, al recombinarlas, se pudo observar cómo la gravedad modificaba la parte que caía.
El trabajo se realizó en la Universidad Ben-Gurion utilizando nubes de átomos de rubidio ultrafríos, enfriados a temperaturas cercanas al cero absoluto y manipulados sobre un chip atómico de diseño especial.
Mediante pulsos de microondas, los investigadores indujeron una superposición cuántica, de modo que cada átomo podía desplazarse simultáneamente por dos caminos. Utilizando cables diminutos en el chip crearon campos magnéticos controlados con alta precisión. Una parte de la onda atómica fue afectada por este campo, permitiendo aplicar una fuerza que contrarrestaba exactamente la gravedad, manteniendo una parte estacionaria respecto al laboratorio y a la Tierra.
La otra parte recibió un pulso magnético que la impulsó hacia arriba y, luego, se liberó para caer libremente siguiendo una trayectoria balística, similar al movimiento de una pelota lanzada hacia arriba.
Al finalizar la caída, otro pulso magnético reunió ambas ondas cuánticas, que al interferir entre sí permitieron medir la mínima diferencia en la fase cuántica acumulada entre la parte en caída y la que permaneció inmóvil.
Resultados y implicaciones
La fase cuántica observada se ajusta a las predicciones del principio de equivalencia de Einstein aplicado a ondas cuánticas. Esto establece un vínculo experimental entre mecánica cuántica y teoría de la gravedad de Einstein.
Aunque estudios anteriores usaron partículas cuánticas para medir efectos gravitatorios, este es el primer registro directo de la fase cuántica predicha para un objeto que está en caída libre.
El profesor Ron Folman, autor principal, destacó la singularidad del estudio, que combina un experimento complejo con una interpretación teórica profunda sobre cómo unificar la gravitación y la mecánica cuántica, dos pilares no consensuados aún dentro de la física moderna.
El profesor Vlatko Vedral, coautor, señaló que no existe una teoría completa que explique por qué la física cuántica debería fallar. Este experimento extiende el alcance de la mecánica cuántica hacia el ámbito gravitatorio, confirmando otra vez sus predicciones.
El estudio no implica una unificación completa de ambas teorías ni prueba que la gravedad sea cuántica. Más bien, confirma que el principio fundamental de Einstein sigue siendo válido en el contexto cuántico analizado.
Perspectivas futuras
El trabajo no descarta la hipótesis del profesor Penrose de que la mecánica cuántica podría dejar de aplicarse para objetos suficientemente masivos sostenidos en superposiciones cuánticas durante largos períodos. Este experimento no alcanzó esas dimensiones ni tiempos para poner a prueba esa idea.
El equipo espera que la metodología sirva para desarrollar futuros experimentos con objetos más pesados, como nanodiamantes, para explorar esta posibilidad. Actualmente, trabajan en estas investigaciones también en la Universidad Ben-Gurion del Negev.