Nuevo experimento demuestra coherencia entre la gravedad de Einstein y la física cuántica

Avance en la comprensión de la gravedad y la mecánica cuántica

Un nuevo estudio publicado en Science Advances demuestra que un principio fundamental de la teoría de la gravedad de Albert Einstein continúa siendo válido al analizar el comportamiento de la materia en el ámbito cuántico.

La investigación ha sido encabezada por la Universidad Ben-Gurión (Israel) y cuenta entre sus autores al premio Nobel de Física Roger Penrose de la Universidad de Oxford (Reino Unido).

Dos teorías en búsqueda de convergencia

La mecánica cuántica explica el comportamiento de los átomos y objetos minúsculos, mientras que la teoría general de la relatividad de Einstein describe la gravedad y el movimiento de los cuerpos. La teoría de Einstein se fundamenta en el principio de equivalencia, el cual ha sido verificado con gran precisión en cuerpos de gran tamaño, pero los físicos aún buscan comprender completamente cómo se vinculan ambas teorías.

El equipo realizó un experimento para investigar el punto de encuentro entre estas dos teorías, observando cambios característicos en las propiedades cuánticas de los átomos conforme caían bajo la influencia de la gravedad.

Resultados del experimento

El efecto medido coincide con las predicciones que se obtienen al aplicar el principio de equivalencia de Einstein a un objeto cuántico. Según explican los autores, aunque los resultados no unifican la mecánica cuántica y la gravedad, ni demuestran que la gravedad en sí sea cuántica, sí establecen que el principio de equivalencia de Einstein permanece coherente con la mecánica cuántica en el régimen analizado.

Vlatko Vedral, de la Universidad de Oxford y uno de los firmantes del artículo, señaló que este experimento lleva

"a la mecánica cuántica a una de sus fronteras más intrigantes, la gravedad, y demuestra, una vez más, que sus predicciones se cumplen".

El principio de equivalencia

El principio de equivalencia de Einstein establece que para un observador en caída libre, la gravedad debería desaparecer localmente. Por ejemplo, una persona que cayera libremente dentro de un ascensor experimentaría ingravidez. Los investigadores decidieron verificar experimentalmente este principio utilizando objetos cuánticos, que pueden comportarse como ondas o partículas y, en la práctica, desplazarse por múltiples trayectorias simultáneamente.

El Interferómetro Cuántico de Galileo

El núcleo del experimento es un aparato innovador que los investigadores denominan Interferómetro Cuántico de Galileo, que permite dividir la onda cuántica asociada a un átomo en dos trayectorias distintas. Una trayectoria se mantenía fija mientras que la otra se dejaba caer libremente. Posteriormente, ambas trayectorias se volvían a unir para observar cómo la gravedad había modificado la onda en caída.

Metodología experimental

El experimento utilizó nubes de átomos de rubidio enfriados a una temperatura ligeramente superior al cero absoluto, manipulados cerca de la superficie de un chip atómico especialmente diseñado. Una porción de la onda se mantuvo inmóvil respecto al laboratorio y a la Tierra, mientras que la otra fue impulsada hacia arriba mediante un pulso magnético controlado, permitiendo que cayera libremente bajo la influencia de la gravedad.

Al finalizar la caída, los investigadores utilizaron otro pulso para reunir las dos partes que interfirieron entre sí, lo que permitió medir la minúscula diferencia en la fase cuántica acumulada durante el proceso.

Conexión experimental establecida

La fase medida en el nuevo experimento es idéntica a la prevista al aplicar el principio de Einstein a una onda cuántica de este tipo. Este resultado establece una conexión experimental entre la física cuántica y la teoría de la gravedad, contribuyendo al progreso científico en la búsqueda de un marco teórico unificado que reconcilie las normas del mundo clásico con las del cuántico.