Un equipo internacional de científicos observó por primera vez un efecto de la gravedad sobre un objeto cuántico en caída libre, un fenómeno largamente predicho que permitió comprobar el comportamiento de uno de los principios fundamentales de la teoría de la gravedad de Albert Einstein en el mundo cuántico.
La investigación fue liderada por la Universidad Ben-Gurion del Negev, en Israel; la Universidad de Ulm, en Alemania, y la Universidad de Oxford, en Reino Unido. Entre los integrantes del equipo se encuentra el físico Roger Penrose, ganador del Premio Nobel de Física. El estudio fue publicado en la revista Science Advances.
Durante más de un siglo, la física ha contado con dos teorías extraordinariamente exitosas para describir la naturaleza. La mecánica cuántica explica el comportamiento de los átomos y otras partículas a escalas muy pequeñas, mientras que la teoría de la relatividad general de Einstein describe la gravedad y su influencia sobre la materia y el universo. Sin embargo, la relación entre ambos marcos sigue siendo una de las grandes cuestiones abiertas de la física.
El nuevo experimento abordó una parte de ese problema al estudiar cómo cambia un sistema cuántico cuando una de sus partes queda sometida directamente a la gravedad.
Dos trayectorias para una misma onda cuántica
El elemento central del experimento fue un dispositivo desarrollado por los investigadores y denominado Interferómetro Cuántico de Galileo. Este permitió dividir la onda cuántica asociada a un átomo en dos trayectorias, mantener una de ellas prácticamente fija y dejar que la otra cayera libremente bajo la acción de la gravedad.
El experimento se realizó en la Universidad Ben-Gurion con nubes de átomos de rubidio enfriados hasta una temperatura ligeramente superior al cero absoluto y manipulados cerca de la superficie de un chip atómico especialmente diseñado.
Mediante pulsos de microondas, los investigadores llevaron los átomos ultrafríos a una superposición cuántica, de modo que cada átomo pudiera desplazarse simultáneamente por dos trayectorias.
A continuación, utilizaron pequeños cables eléctricos incorporados en el chip para generar campos magnéticos controlados con precisión. Estos campos permitieron ejercer una fuerza sobre una de las partes de la onda atómica, compensando la atracción gravitatoria y manteniéndola prácticamente estacionaria con respecto al laboratorio y la Tierra.
La otra parte fue impulsada inicialmente hacia arriba y después quedó prácticamente libre de la acción de los campos magnéticos. A partir de ese momento pudo caer por efecto de la gravedad siguiendo una trayectoria balística, comparable, a grandes rasgos, con la de una pelota lanzada al aire.
Una vez finalizada la caída, los investigadores volvieron a unir las dos partes de la onda mediante otro pulso magnético. Al encontrarse, ambas ondas interfirieron entre sí.
Esa interferencia permitió medir una diminuta diferencia en la fase cuántica acumulada por las dos partes durante el experimento: una había permanecido prácticamente inmóvil, mientras la otra había experimentado una caída libre bajo la acción de la gravedad.
El valor medido coincidió con el que se esperaba al aplicar el principio de equivalencia de Einstein a una onda cuántica.
Este principio establece que, para un observador en caída libre, los efectos de la gravedad deberían desaparecer localmente. Una situación cotidiana que ayuda a ilustrarlo es la de una persona dentro de un ascensor en caída libre, que experimentaría una condición de ingravidez.
La idea ha sido sometida a pruebas extremadamente precisas con materia ordinaria, pero hasta ahora no estaba claro cómo comprobarla experimentalmente en objetos cuánticos, que pueden comportarse como ondas y, en determinadas condiciones, recorrer simultáneamente más de una trayectoria.
Los investigadores sostienen que el experimento constituye la primera medición directa de la fase cuántica prevista para un objeto en caída libre. Aunque anteriormente se habían utilizado partículas cuánticas para estudiar y medir la gravedad, el nuevo procedimiento permitió observar específicamente este efecto sobre la fase de una onda cuántica.
Un resultado que no resuelve la gravedad cuántica
El resultado establece una conexión experimental entre la mecánica cuántica y la teoría de la gravedad de Einstein, pero sus alcances deben acotarse.
El experimento no unifica la mecánica cuántica con la gravedad ni demuestra que la gravedad sea, en sí misma, un fenómeno cuántico. Lo que muestra es que el principio de equivalencia de Einstein continúa siendo compatible con la mecánica cuántica bajo las condiciones analizadas.
El autor principal del estudio, Ron Folman, de la Universidad Ben-Gurion del Negev, destacó que el experimento permite explorar una de las preguntas fundamentales de la física: cómo podrían relacionarse en una misma descripción la gravedad, explicada por la relatividad de Einstein, y la teoría cuántica.
Vlatko Vedral, del Departamento de Física de la Universidad de Oxford y coautor de la investigación, señaló que el trabajo lleva la mecánica cuántica hasta una de sus fronteras experimentales, al estudiar su comportamiento frente a la gravedad.
El resultado tampoco permite poner a prueba la hipótesis planteada por Penrose de que la mecánica cuántica podría dejar de ser válida para objetos suficientemente masivos que permanezcan durante largos periodos en estados de superposición cuántica.
El experimento actual no alcanzó las masas ni los tiempos necesarios para comprobar esa posibilidad. Sin embargo, los investigadores esperan que la nueva técnica pueda servir para realizar experimentos con objetos mucho más pesados, como nanodiamantes, y estudiar así hasta dónde se mantiene el comportamiento cuántico frente a la gravedad.
Un experimento de este tipo se encuentra actualmente en desarrollo en el mismo grupo de investigación de la Universidad Ben-Gurion del Negev.
