Científicos observan la gravedad de Einstein en el mundo cuántico por primera vez

Un equipo internacional, que incluye al físico galardonado con el Premio Nobel, el profesor Sir Roger Penrose, logró observar directamente un efecto gravitacional predicho hace tiempo en un objeto cuántico en caída libre. Este hallazgo demuestra que un principio central de la teoría de la gravedad de Einstein se mantiene vigente al coincidir con el comportamiento cuántico bajo las condiciones experimentales utilizadas. La investigación, liderada por la Universidad Ben-Gurion del Negev, la Universidad de Ulm y la Universidad de Oxford, fue publicada el 2 de septiembre en Science Advances.

La física moderna se basa en dos marcos teóricos exitosos: la mecánica cuántica, que describe el comportamiento inusual de los átomos y otros objetos muy pequeños, y la teoría de la gravedad de Einstein, que explica la caída de los cuerpos y la estructura a gran escala del universo. A pesar de su éxito individual, los físicos aún no cuentan con una teoría completa que unifique ambas descripciones.

El nuevo experimento exploró una región donde estas dos descripciones se superponen. Los investigadores midieron un cambio específico en las propiedades cuánticas de los átomos mientras se movían bajo la influencia de la gravedad. El efecto observado coincidió con la predicción que surge al extender el principio de equivalencia de Einstein a un objeto cuántico.

Prueba del Principio de Equivalencia de Einstein

El principio de equivalencia establece que la gravedad debería desaparecer localmente para un observador en caída libre. Por ejemplo, una persona que cae libremente en un ascensor experimentaría ingravidez. Este principio ha sido confirmado con precisión extraordinaria utilizando materia ordinaria, pero probarlo directamente con objetos cuánticos ha sido mucho más complicado debido a que estos pueden comportarse como ondas y seguir múltiples caminos simultáneamente.

Para hacer posible dicha prueba, el equipo construyó un instrumento denominado Interferómetro Cuántico Galileo. Este dispositivo permitió a los investigadores dividir la onda cuántica asociada a un átomo en dos caminos separados. Una parte pudo mantenerse fija mientras que la otra cayó libremente. Luego, se unieron nuevamente para determinar cómo la gravedad había afectado a la onda en caída.

El experimento se realizó en la Universidad Ben-Gurion utilizando nubes de átomos de rubidio enfriados a temperaturas apenas superiores al cero absoluto. Los átomos fueron manipulados cerca de la superficie de un chip atómico especialmente diseñado.

Dividiendo un átomo en dos caminos cuánticos

El equipo experimental, que incluyó al estudiante de doctorado Or Dobkowski, comenzó utilizando pulsos de microondas para colocar los átomos ultracongelados en una superposición cuántica. Esto permitió que cada átomo siguiera dos caminos simultáneamente.

Pequeños hilos eléctricos integrados en el chip generaron campos magnéticos controlados con precisión. Una parte de la onda atómica interactuó con el campo magnético, permitiendo a los investigadores crear una fuerza ascendente que equilibró exactamente la atracción gravitacional. Como resultado, esa parte de la onda permaneció estacionaria en relación al laboratorio y a la Tierra.

La otra parte fue impulsada hacia arriba mediante un pulso magnético controlado. Luego, se cambió a un estado que fue casi indiferente al campo magnético, permitiéndole moverse libremente bajo la influencia de la gravedad, siguiendo una trayectoria balística similar a la de una pelota lanzada al aire.

Una vez completado el movimiento de caída, otro pulso magnético controlado reunió las dos partes de la onda atómica. Las ondas reunidas interfirieron entre sí, proporcionando a los investigadores una forma de medir la diferencia extremadamente pequeña en la fase cuántica que se había acumulado mientras una parte caía y la otra permanecía fija.

La gravedad deja una firma cuántica medible

La fase cuántica medida por los investigadores coincidió con la fase predicha cuando se aplica el principio de Einstein a este tipo de onda cuántica. Por lo tanto, el experimento proporciona una conexión directa en el laboratorio entre la física cuántica y la descripción de la gravedad de Einstein.

Si bien se han utilizado partículas cuánticas en experimentos anteriores para medir la gravedad, los investigadores afirmaron que esta es la primera medición directa de la fase cuántica predicha producida por un objeto en caída libre.

El autor principal, el profesor Ron Folman (Universidad Ben-Gurion del Negev), expresó: "Este es un trabajo único, en el sentido de que combina un experimento riguroso con una interpretación teórica de gran alcance sobre una de las preguntas más fundamentales de la física: ¿Cómo se pueden unificar la gravedad (descrita por la teoría de relatividad de Einstein) y la teoría cuántica en una sola comprensión del universo? Estas dos columnas de la física moderna han eludido hasta ahora todos los intentos de un marco teórico unificado, pero este complejo experimento ofrece más pistas sobre cómo podría lograrse tal unificación."

El coautor del estudio, el profesor Vlatko Vedral (Departamento de Física, Universidad de Oxford), agregó: "No tenemos una teoría consistente que nos diga por qué la física cuántica debería fallar. Este experimento lleva la mecánica cuántica a uno de sus frentes más intrigantes, la gravedad, y muestra que, una vez más, sus predicciones se mantienen."

Lo que el experimento muestra y lo que no muestra

El hallazgo no proporciona una teoría unificada de la mecánica cuántica y la gravedad, ni demuestra que la gravedad en sí sea cuántica. En cambio, muestra que el principio de equivalencia de Einstein sigue siendo compatible con la mecánica cuántica dentro del rango explorado por el experimento.

Los resultados tampoco refutan una idea propuesta por el coautor del estudio, el profesor Sir Roger Penrose (Universidad de Oxford). Penrose ha argumentado que la mecánica cuántica podría eventualmente colapsar cuando objetos suficientemente masivos permanezcan en superposiciones cuánticas durante períodos prolongados. El experimento actual no involucró objetos lo suficientemente masivos, ni superposiciones que duraran el tiempo suficiente, para probar esa posibilidad. Sin embargo, los investigadores esperan que la nueva técnica pueda extenderse eventualmente a objetos mucho más pesados, incluidos los nanodiamantes. Ya se están llevando a cabo experimentos diseñados para investigar esa posibilidad en el mismo grupo de la Universidad Ben-Gurion del Negev.

El equipo de investigación internacional incluyó científicos de la Universidad Ben-Gurion del Negev, la Universidad de Oxford, la Universidad de Southampton, el Centro Aeroespacial Alemán, el Instituto de Tecnologías Cuánticas, Universität Ulm y Texas A&M University.

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