Un experimento audaz podría manipular ondas gravitacionales y revelar secretos cuánticos

Cuando objetos masivos como agujeros negros se fusionan o estrellas de neutrones colisionan, generan ondas gravitacionales que se propagan por el universo. Estas ondas, que viajan a la velocidad de la luz, provocan distorsiones mínimas en el espacio-tiempo. Aunque Albert Einstein predijo su existencia hace más de un siglo, los científicos no lograron observarlas directamente hasta 2015. Ahora, el profesor Ralf Schützhold, un físico teórico del Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), propuso llevar la ciencia un paso más allá. Su idea, publicada en la revista Physical Review Letters, no solo busca detectar ondas gravitacionales, sino también influir activamente en ellas.

Schützhold explicó: "La gravedad afecta todo, incluyendo la luz". Esto implica que cuando las ondas de luz se encuentran con las ondas gravitacionales, pueden interactuar. Su propuesta se centra en transferir pequeñas cantidades de energía de un haz de luz a una onda gravitacional que pasa. Durante este proceso, la luz pierde una pequeña cantidad de energía, mientras que la onda gravitacional gana exactamente la misma cantidad. Esta energía corresponde a uno o más gravitones, las partículas teóricas que se cree que transportan la fuerza de la gravedad, aunque nunca se han observado directamente. "Esto haría que la onda gravitacional sea un poco más intensa", explicó el físico. Al mismo tiempo, la onda de luz experimentaría un cambio apenas detectable en su frecuencia.

Invirtiendo el flujo de energía

El proceso también puede funcionar en la dirección opuesta, continuó Schützhold. En este escenario, la onda gravitacional cede un paquete de energía a la onda de luz. En principio, ambos sentidos de este intercambio podrían medirse, lo que permitiría a los científicos observar la absorción y emisión estimulada de gravitones. Para ello, se requeriría un enorme montaje experimental. Schützhold estima que los pulsos láser en el rango espectral visible o cercano al infrarrojo tendrían que rebotar entre dos espejos hasta un millón de veces. Con un montaje físico de aproximadamente un kilómetro de longitud, esta reflexión repetida crearía un camino óptico efectivo de aproximadamente un millón de kilómetros. Esa escala debería ser lo suficientemente grande como para detectar las pequeñas transferencias de energía que ocurren cuando la luz interactúa con una onda gravitacional.

Detectando una señal casi imperceptible

El cambio de frecuencia en la luz causado por la absorción o liberación de la energía de uno o más gravitones sería extraordinariamente pequeño. Sin embargo, Schützhold argumentó que un interferómetro cuidadosamente diseñado podría revelarlo. En tal dispositivo, dos ondas de luz experimentarían cambios de frecuencia ligeramente diferentes dependiendo de si ganan o pierden energía. Después de recorrer el largo camino óptico, las ondas se recombinarían y formarían un patrón de interferencia. Al analizar ese patrón, los investigadores podrían determinar cómo se desplazó la frecuencia de la luz y confirmar que se intercambió energía con la onda gravitacional.

Lecciones de LIGO y posibilidades futuras

"Puede llevar varias décadas desde la idea inicial hasta el experimento", dijo Schützhold. Sin embargo, destacó que la propuesta comparte similitudes con la tecnología existente, particularmente el Observatorio LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), que ya se utiliza para detectar ondas gravitacionales. LIGO consiste en dos tubos de vacío en forma de L de aproximadamente cuatro kilómetros de longitud. Un divisor de haz envía un rayo láser por ambos brazos, donde las ondas gravitacionales que pasan estiran y comprimen ligeramente el espacio-tiempo. Estas distorsiones cambian las longitudes de los brazos por solo unos pocos attómetros (10-18 metros), lo suficiente como para alterar el patrón de interferencia de la luz y producir una señal medible.

Un interferómetro diseñado en torno al concepto de Schützhold podría ir más allá de la detección y permitir a los científicos manipular ondas gravitacionales por primera vez a través de la absorción y emisión estimulada de gravitones. También sugirió que el uso de pulsos de luz con fotones entrelazados, es decir, que están vinculados cuánticamente, podría mejorar enormemente la sensibilidad del instrumento. "Entonces podríamos incluso inferir sobre el estado cuántico del campo gravitacional mismo", afirmó Schützhold. Aunque esto no probaría directamente la existencia de gravitones, proporcionaría una fuerte evidencia de apoyo. Si los efectos de interferencia esperados no aparecieran, las teorías actuales basadas en gravitones serían cuestionadas. Por esta razón, no sorprende que la propuesta de Schützhold haya atraído una atención significativa de la comunidad física.

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