Un equipo internacional de físicos ha logrado medir por primera vez los efectos de la gravedad de Einstein en un objeto cuántico, demostrando que el principio de equivalencia de la relatividad general se mantiene en el reino subatómico. El experimento, publicado en la revista Science Advances, observó un cambio en las propiedades cuánticas de los átomos mientras caen bajo el efecto de la gravedad.
La física moderna se asienta sobre dos pilares fundamentales: la relatividad general de Albert Einstein, que describe la gravedad a gran escala, y la mecánica cuántica, que explica el comportamiento de las partículas subatómicas. Ambas teorías han sido contrastadas durante décadas, pero no acaban de ser del todo compatibles, ya que la gravedad no parece funcionar igual en la escala infinitesimal donde actúan los quarks.
Uno de los principales objetivos de los físicos teóricos ha sido reconciliar ambos postulados en una teoría unificada que complete el Modelo Estándar. Sin embargo, un estudio reciente realizado en Japón sugería que algunos signos de gravedad a nivel cuántico podrían ser simplemente una ilusión.
Un interferómetro cuántico de Galileo
En el corazón del experimento se encuentra un nuevo dispositivo denominado interferómetro cuántico de Galileo. Este aparato permitió dividir la onda cuántica asociada a un átomo en dos trayectorias: una mantenida fija mientras la otra caía libremente, para luego reunirlas y observar cómo la gravedad había alterado la onda en caída.
El ensayo se llevó a cabo en la Universidad Ben-Gurion del Néguev, en Israel, utilizando nubes de átomos de rubidio enfriados justo por encima del cero absoluto y manipulados cerca de la superficie de un chip atómico diseñado especialmente. El equipo, que incluye al investigador predoctoral Or Dobkowski, empleó pulsos de microondas para situar los átomos en una superposición cuántica, permitiendo que cada átomo viajara por dos caminos diferentes a la vez.
Mediante diminutos cables eléctricos integrados en el chip, generaron campos magnéticos controlados con extrema precisión. Una parte de la onda atómica respondió a este campo, permitiendo aplicar una fuerza ascendente que contrarrestaba la gravedad, manteniéndola estacionaria. La otra parte fue empujada hacia arriba y luego conmutada a un estado casi inafectado por el campo para que cayera libremente, siguiendo una trayectoria balística similar a la de una pelota lanzada al aire.
Cuando las dos ondas se reunieron, interfirieron entre sí, permitiendo medir la minúscula diferencia de fase cuántica acumulada. La fase medida coincide de forma exacta con la que se predice al aplicar el principio de Einstein a una onda cuántica de estas características.
Implicaciones para la unificación
“Se trata de un artículo único, en el sentido de que combina un experimento difícil con una interpretación teórica de gran alcance sobre una de las cuestiones más fundamentales de la física: cómo pueden unificarse la gravedad y la teoría cuántica en una sola comprensión del universo”, señala Ron Folman, autor principal del estudio e investigador de la Universidad Ben-Gurion del Néguev.
Por su parte, Vlatko Vedral, coautor del trabajo en la Universidad de Oxford, subraya la resiliencia del modelo cuántico: “No tenemos ninguna teoría coherente que nos diga por qué debería fallar la física cuántica. Este experimento empuja la mecánica cuántica hacia una de sus fronteras más intrigantes, la gravedad, y demuestra que, una vez más, sus predicciones se cumplen”.
El resultado no unifica por sí solo ambas teorías ni demuestra que la gravedad misma sea de naturaleza cuántica, pero corrobora que el principio de equivalencia de Einstein sigue siendo consistente con la mecánica cuántica en el régimen probado. Tampoco descarta los argumentos planteados por el coautor y premio Nobel Roger Penrose, quien sostiene que la mecánica cuántica podría desmoronarse en objetos masivos mantenidos en superposición durante tiempos prolongados, una hipótesis que el consorcio planea poner a prueba con experimentos futuros utilizando nanodiamantes.