Científicos observan la gravedad de Einstein en el mundo cuántico

Un equipo internacional, liderado por la Universidad Ben-Gurion del Negev (Israel), la Universidad de Ulm (Alemania) y la Universidad de Oxford (Reino Unido), entre cuyos miembros se encuentra el profesor Sir Roger Penrose, físico y ganador del Premio Nobel, ha observado por primera vez un efecto de la gravedad sobre un objeto cuántico en caída libre, un fenómeno largamente predicho. El resultado demuestra que un principio fundamental de la teoría de la gravedad de Einstein se mantiene coherente con el comportamiento de la materia en el mundo cuántico. El estudio se publica en 'Science Advances'.

Durante más de un siglo, los físicos se han basado en dos descripciones extraordinariamente exitosas de la naturaleza. La mecánica cuántica explica el extraño comportamiento de los átomos y otros objetos diminutos. La teoría de la gravedad de Einstein explica cómo caen los objetos y cómo la gravedad da forma al universo. Sin embargo, los físicos aún no comprenden del todo cómo encajan ambas.

Ahora, este equipo internacional ha realizado un experimento que explora el punto de encuentro entre ambos fenómenos. En el estudio, los investigadores observaron un cambio distintivo en las propiedades cuánticas de los átomos al caer bajo la acción de la gravedad. Es crucial destacar que el efecto medido coincide con el predicho al aplicar el principio de equivalencia de Einstein, pilar fundamental de su teoría de la gravedad, a un objeto cuántico.

El principio de equivalencia establece que, para un observador en caída libre, la gravedad debería desaparecer localmente. Por ejemplo, alguien que cae libremente en un ascensor experimentaría ingravidez. Si bien esta teoría ha superado pruebas extraordinariamente precisas con materia ordinaria, no estaba claro cómo podría comprobarse experimentalmente con objetos cuánticos, que pueden comportarse como ondas y viajar, en efecto, por más de una trayectoria.

El elemento central del experimento es un nuevo aparato que los investigadores denominan Interferómetro Cuántico de Galileo. Este les permitió realizar algo inusual: dividir la onda cuántica asociada a un átomo en dos trayectorias, mantener una fija mientras permitían que la otra cayera libremente, y luego reunirlas para observar cómo la gravedad había modificado la onda descendente.

El experimento se llevó a cabo en la Universidad Ben-Gurion utilizando nubes de átomos de rubidio enfriados a una temperatura ligeramente superior al cero absoluto y manipulados cerca de la superficie de un chip atómico especialmente diseñado.

El equipo experimental utilizó primero pulsos de microondas para inducir una superposición cuántica en los átomos ultrafríos, permitiendo así que cada átomo se desplazara simultáneamente por dos trayectorias distintas. A continuación, emplearon diminutos cables eléctricos en el chip para generar campos magnéticos controlados con precisión. Una parte de la onda atómica respondió a este campo magnético, lo que permitió a los investigadores aplicar una fuerza ascendente que contrarrestaba exactamente la atracción gravitatoria descendente. En efecto, esta parte se mantuvo estacionaria con respecto al laboratorio y a la Tierra.

La otra parte fue empujada hacia arriba mediante un pulso magnético controlado con precisión, y posteriormente pasó a un estado prácticamente inalterado por el campo magnético para que pudiera caer libremente por efecto de la gravedad, siguiendo una trayectoria balística, similar a la de una pelota lanzada al aire.

Al final de la caída, los investigadores utilizaron otro pulso magnético controlado con precisión para unir de nuevo las dos partes. Cuando las dos ondas se reunieron, interfirieron entre sí. Esta interferencia les permitió medir la minúscula diferencia en la fase cuántica acumulada mientras una caía y la otra permanecía inmóvil.

La fase medida en el nuevo experimento coincide con la predicha al aplicar el principio de Einstein a dicha onda cuántica. Por lo tanto, el resultado establece una conexión experimental entre la física cuántica y la teoría de la gravedad de Einstein.

Aunque en experimentos anteriores se han utilizado partículas cuánticas para medir la gravedad, los investigadores afirman que esta es la primera medición directa de la fase cuántica prevista de un objeto en caída libre.

El autor principal, el profesor Ron Folman (Universidad Ben-Gurion del Negev), declara: Este es un artículo único, en el sentido de que combina un experimento complejo con una interpretación teórica de gran alcance sobre una de las cuestiones más fundamentales de la física. Es decir, cómo pueden unificarse la gravedad (descrita por la teoría de la relatividad de Einstein) y la teoría cuántica en una sola comprensión del universo. Estos dos pilares de la física moderna han eludido hasta ahora todos los intentos de unificar el marco teórico, pero este complejo experimento ofrece más pistas sobre cómo podría lograrse dicha unificación".

El profesor Vlatko Vedral (Departamento de Física, Universidad de Oxford), coautor del estudio, añade: "No contamos con una teoría coherente que explique por qué la física cuántica debería fallar. Este experimento lleva la mecánica cuántica a una de sus fronteras más fascinantes, la gravedad, y demuestra que, una vez más, sus predicciones se cumplen".

El resultado no unifica la mecánica cuántica y la gravedad, ni demuestra que la gravedad misma sea cuántica. En cambio, demuestra que el principio de equivalencia de Einstein sigue siendo compatible con la mecánica cuántica en el régimen analizado.

Además, el estudio no refuta el argumento del coautor, el profesor Sir Roger Penrose (Universidad de Oxford), de que la mecánica cuántica podría dejar de ser válida para objetos suficientemente masivos mantenidos en superposiciones cuánticas durante periodos de tiempo prolongados. Si bien el experimento actual no alcanzó las masas ni los tiempos necesarios para comprobar esta idea, el equipo de investigación espera que la técnica sirva de base para experimentos con objetos mucho más pesados, como nanodiamantes, que permitan investigar esta posibilidad. Un experimento de este tipo se está llevando a cabo actualmente en el mismo grupo de la Universidad Ben-Gurion del Negev.