Durante más de un siglo, la física moderna ha intentado resolver uno de sus mayores problemas: explicar con una sola teoría el comportamiento del universo, desde las partículas más pequeñas hasta los objetos más masivos del cosmos.
Ahora, un grupo internacional de científicos logró observar un efecto de la gravedad de Einstein sobre un objeto cuántico en caída libre, un resultado que establece una nueva conexión experimental entre dos de los pilares fundamentales de la física moderna.
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La investigación, publicada este 2 de septiembre en la revista Science Advances, fue encabezada por investigadores de la Universidad Ben-Gurión del Néguev y contó con la participación de científicos de la Universidad de Oxford, entre ellos el premio Nobel de Física Roger Penrose.
El experimento demostró que un principio fundamental de la relatividad de Albert Einstein sigue siendo coherente con el extraño comportamiento de la materia cuando esta entra en el régimen de la mecánica cuántica.
Dos teorías que explican el universo, pero no terminan de encajar
La mecánica cuántica y la relatividad general son posiblemente las dos teorías más exitosas de la historia de la física.
La primera explica el comportamiento de átomos, partículas y otros fenómenos microscópicos, donde los objetos pueden comportarse como ondas, existir en superposición y mostrar propiedades que no tienen equivalente en nuestra experiencia cotidiana.
La segunda, desarrollada por Albert Einstein, describe la gravedad como una consecuencia de la geometría del espacio-tiempo y permite explicar desde la caída de los objetos hasta el movimiento de los planetas, los agujeros negros y la evolución del universo.
El problema es que ambas teorías funcionan extraordinariamente bien por separado, pero los científicos todavía no poseen un marco capaz de describirlas completamente como una sola teoría.
Esa búsqueda es especialmente importante en escenarios extremos, como el interior de los agujeros negros o los primeros instantes del universo, donde los efectos de la gravedad y la física cuántica deberían ser relevantes al mismo tiempo.
El experimento que llevó a Einstein al mundo cuántico
Para investigar este límite, los científicos utilizaron nubes de átomos de rubidio enfriados a temperaturas apenas superiores al cero absoluto. Los investigadores emplearon un dispositivo denominado Interferómetro Cuántico de Galileo, capaz de dividir la onda cuántica asociada a un átomo en dos trayectorias.
Una de esas partes permaneció sostenida con respecto al laboratorio, mientras que la otra fue preparada para caer libremente bajo la influencia de la gravedad. Posteriormente, ambas partes volvieron a reunirse.
Al hacerlo, los científicos pudieron observar cómo la gravedad había modificado la fase de la onda cuántica que había caído. La diferencia medida coincidió con la predicción obtenida al aplicar el principio de equivalencia de Einstein a un objeto cuántico.
El principio de equivalencia establece, de manera simplificada, que una persona u objeto en caída libre experimentaría localmente una sensación de ingravidez.
Einstein utilizó esta idea como uno de los fundamentos de su teoría de la gravedad. Sin embargo, comprobar cómo este principio se manifiesta en un objeto que también puede comportarse como una onda representa una frontera mucho más compleja.
¿Estamos más cerca de una teoría del todo?
El nuevo resultado es importante, pero sus propios autores han advertido que no significa que la mecánica cuántica y la relatividad hayan sido finalmente unificadas. El experimento tampoco demuestra que la gravedad sea, por sí misma, un fenómeno cuántico.
Lo que sí demuestra es que, en las condiciones estudiadas, una de las ideas fundamentales de Einstein sigue siendo compatible con las predicciones de la mecánica cuántica. En otras palabras, el resultado elimina una posible contradicción en un territorio donde ambas teorías se encuentran.
Para los físicos, este tipo de experimentos es importante porque una futura teoría de gravedad cuántica deberá ser capaz de recuperar tanto las predicciones de Einstein como las reglas que gobiernan el mundo cuántico.
Entre las propuestas que buscan responder a este problema existen diferentes enfoques teóricos, pero hasta ahora ninguna ha logrado convertirse en una descripción experimentalmente confirmada de la unión definitiva entre la gravedad y la mecánica cuántica.
¿Qué podría significar para nuestra comprensión del universo?
La integración de ambas teorías tendría consecuencias profundas para comprender algunos de los mayores misterios del cosmos.
Una teoría capaz de describir la gravedad en términos cuánticos podría ayudar a explicar qué ocurre realmente en el interior de un agujero negro, qué sucede con la información que cae en él y cómo se comportó el universo en sus primeros instantes.
También permitiría estudiar con nuevas herramientas fenómenos donde el espacio-tiempo y las partículas elementales se encuentran en condiciones extremas. El experimento abre además la posibilidad de desarrollar pruebas cada vez más precisas utilizando objetos cuánticos de mayor tamaño y masa.
El equipo espera avanzar hacia experimentos con sistemas más pesados, incluidos materiales como nanodiamantes, lo que permitiría explorar si existen límites en la capacidad de los objetos para mantenerse en estados de superposición cuántica bajo la influencia de la gravedad.
Esto resulta especialmente interesante por la participación de Roger Penrose, quien ha planteado que la gravedad podría desempeñar un papel en la pérdida de las superposiciones cuánticas cuando los objetos alcanzan determinadas masas o escalas.
El nuevo experimento todavía no alcanza las condiciones necesarias para comprobar esa hipótesis, pero proporciona una tecnología que podría ayudar a acercarse a ese tipo de preguntas. La importancia del descubrimiento, por tanto está en haber llevado la mecánica cuántica a una nueva frontera experimental: la gravedad.
Después de décadas en las que Einstein y la física cuántica parecían habitar universos teóricos distintos, este experimento ofrece una nueva evidencia de que ambos pueden describir coherentemente una misma realidad, al menos en el límite que los científicos han logrado explorar hasta ahora.
Con información de EL INFORMADOR