La gravedad se encuentra con la mecánica cuántica en el laboratorio por primera vez

El experimento que nadie vio venir

El 2 de septiembre, un artículo publicado en Science Advances cambió sutilmente algo sobre cómo los físicos piensan en la frontera entre dos teorías que se han negado a coexistir durante casi un siglo. Investigadores de la Universidad Ben-Gurion del Negev, en colaboración con colegas de Oxford, Ulm, Southampton y Texas A&M, utilizaron nubes de átomos de rubidio enfriados apenas por encima del cero absoluto y observaron cómo el principio de equivalencia de Einstein actuaba sobre una partícula atrapada en superposición cuántica.

No una aproximación. No una inferencia extraída de datos de ondas gravitacionales. Una medición directa de laboratorio de una onda cuántica que se divide en dos trayectorias, una mantenida quieta y otra cayendo libremente, para luego recombinarse; con el cambio de fase resultante coincidiendo con la predicción que se obtiene al aplicar la relatividad general a un objeto cuántico.

Esa distinción importa. Los físicos ya habían medido la gravedad con sensores cuánticos antes. Lo que nunca habían medido, hasta ahora, fue la fase cuántica específica acumulada por un solo átomo cuya función de onda se dividió y se permitió experimentar la gravedad a lo largo de dos trayectorias diferentes simultáneamente.

Cómo el átomo cayó dos veces

El dispositivo que construyó el equipo, al que llamaron Interferómetro Cuántico de Galileo, es elegante en su sencillez. Un chip atómico recubierto de microcables generaba campos magnéticos lo suficientemente precisos como para manipular átomos individuales de rubidio enfriados cerca del cero absoluto. Pulsos de microondas colocaban cada átomo en superposición, efectivamente situándolo en dos trayectorias a la vez. Una rama se mantenía estacionaria gracias a una fuerza magnética que cancelaba exactamente la gravedad. La otra rama se liberaba en caída libre, siguiendo una trayectoria balística, antes de volver a solaparse.

Cuando las dos mitades de la onda atómica se recombinaron, interfirieron. El patrón de interferencia reveló una minúscula diferencia de fase cuántica, una diferencia que correspondía exactamente a lo que uno calcularía si se aplicara el principio de equivalencia de Einstein a una onda cuántica. La parte que caía de la onda había experimentado el tiempo de manera diferente a la parte estacionaria, y la gravedad dejó una huella medible en el estado cuántico.

Es el equivalente cuántico de ver caer una pelota, excepto que la pelota está caída y no caída a la vez, y estás midiendo la fase de una función de onda en lugar de una posición.

Por qué esto no es una teoría del todo

Los investigadores tuvieron cuidado de decir exactamente lo que el experimento hace y lo que no hace. No unifica la mecánica cuántica con la relatividad general. No demuestra que la gravedad sea cuántica. Muestra que, al menos dentro del régimen probado, el principio de equivalencia, una de las premisas fundamentales de la relatividad general, sigue siendo compatible con el comportamiento cuántico.

Eso suena como una afirmación modesta. No lo es. El hecho de que los dos marcos teóricos puedan coexistir en este dominio, sin que surja ninguna contradicción conocida, es lo contrario de lo obvio. La mecánica cuántica y la relatividad general se construyeron sobre supuestos incompatibles respecto a la naturaleza del espacio, el tiempo y la causalidad. Las teorías que intentan fusionarlos, como la teoría de cu cuerdas, la gravedad cuántica de bucles y la teoría de conjuntos causales, permanecen sin probar. Este experimento evita la necesidad de cualquiera de ellas simplemente verificando si la región de superposición se comporta como se espera.

Se comporta.

Penrose sigue esperando

Roger Penrose, uno de los coautores del estudio y ganador del Nobel, ha pasado décadas argumentando que la mecánica cuántica debe terminar por romperse bajo ciertas condiciones, específamente cuando objetos suficientemente masivos permanecen en superposición cuántica el tiempo suficiente. Su modelo de reducción objetiva predice que la gravedad, o algún efecto gravitatorio, fuerza el colapso de la función de onda. El experimento reportado aquí no probó esa predicción. Los átomos de rubidio utilizados eran demasiado ligeros, y la superposición duró demasiado poco, para que el mecanismo de Penrose entrara en juego.

Pero el equipo señaló que experimentos con objetos más masivos, incluyendo nanodiamantes, ya están en marcha en el mismo grupo de Ben-Gurion. Si Penrose tiene razón, esos experimentos deberían terminar mostrando una desviación de las predicciones estándar de la mecánica cuántica. Si se equivoca, la desviación no aparecerá, y la presión sobre su modelo se intensificará.

Este es el tipo de programa experimental que los físicos teóricos esperan desde la década de 1980. No un colisionador. No un satélite. Un interferómetro de mesa con un chip atómico y algunos pulsos de microondas.

Quién gana, quién pierde

Los beneficiarios inmediatos son los experimentos de gravitación cuántica, un campo que ha existido más como aspiración que como un conjunto de resultados. Los grupos que trabajan en pruebas de mesa de la gravedad cuántica, en interferometría de ondas de materia con moléculas más grandes y en sistemas optomecánicos ahora cuentan con una técnica validada y una línea base confirmada. El interferómetro Cuántico de Galileo no es el único camino por recorrer, pero ahora es el más claro.

Los físicos teóricos que han construido marcos elaborados esperando que la gravedad altere fundamentalmente la mecánica cuántica a escalas de masa accesibles podrían encontrarse replanteándose sus posturas. El hecho de que las superposiciones cuánticas permanezcan coherentes en un campo gravitatorio, y de que el principio de equivalencia se mantenga con la precisión medida, eleva la vara para cualquier teoría que prediga nueva física a energías relativamente bajas.

Ninguna teoría existente fue refutada. Ese no era el objetivo del experimento. Pero las teorías viven o mueren por su capacidad de acomodar nuevos datos, y estos datos se sitúan precisamente en el dominio donde la mayoría de las propuestas de gravedad cuántica afirman entrar en contacto con la realidad.

Qué sigue

La trayectoria más probable a corto plazo es sencilla: aumentar la masa. El experimento actual utilizó átomos de rubidio. El próximo objetivo, según declararon los autores, son los nanodiamantes, objetos miles de millones de veces más masivos que un solo átomo. El desafío técnico es enorme. Mantener la coherencia cuántica en objetos cada vez más masivos mientras permanecen en superposición es exponencialmente más difícil. Pero el protocolo está establecido, y el equipo ya ha comenzado la transición.

También está la cuestión de la geometría. El experimento actual probó el principio de equivalencia, la idea de que la masa gravitatoria y la masa inercial son indistinguibles. La relatividad general hace predicciones adicionales sobre la curvatura del espaciotiempo, el arrastre de marcos de referencia y la dilatación del tiempo gravitatoria. Ninguna de esas ha sido probada en un régimen de superposición cuántica. Probablemente lo serán dentro de la próxima década, a medida que la tecnología madure.

Por qué importa más allá del laboratorio

El público suele encontrar los avances en física ya sea como confirmaciones de algo ya aceptado o como refutaciones dramáticas de creencias arraigadas. Este experimento es ninguna de las dos cosas. Es una medición cuidadosa y precisa en el punto ciego entre dos teorías que funcionan perfectamente en sus propios dominios y se niegan a dialogar en el espacio intermedio.

Ese punto ciego es donde el universo oculta sus secretos más profundos. El hecho de que los científicos ahora tengan una herramienta capaz de sondearlo, y de que el primer resultado fuera exactamente lo que Einstein habría predicho, no es un momento para celebrar un problema resuelto. Es un momento para reconocer que la pregunta correcta ha sido finalmente formulada de la manera correcta.

El camino hacia una teoría unificada sigue siendo largo. Pero por primera vez, el mapa muestra una ruta a través de un terreno que antes era inexplorado.