Durante más de un siglo, la física convivió con dos marcos teóricos capaces de explicar con enorme precisión partes distintas de la realidad, pero sin lograr encajarlas del todo en una sola descripción. Por un lado, la mecánica cuántica permitió entender el comportamiento de átomos y partículas. Por otro, la relatividad general de Albert Einstein explicó la gravedad, el movimiento de los cuerpos masivos y la estructura del cosmos. En ese cruce todavía abierto, un grupo internacional de científicos presentó ahora la primera observación de un efecto gravitatorio sobre un objeto cuántico en caída libre consistente con el principio de equivalencia, uno de los pilares de la teoría de Einstein.
El estudio fue encabezado por la Universidad Ben-Gurión del Néguev de Israel, la Universidad de Ulm de Alemania y la Universidad de Oxford de Reino Unido, y contó entre sus integrantes con el físico y matemático Roger Penrose, ganador del Premio Nobel de Física en 2020. Los resultados fueron publicados en la revista Science Advances y apuntan a una zona especialmente sensible de la física contemporánea: el punto en el que la gravedad y la mecánica cuántica dejan de ser compartimentos separados y deben compararse de manera experimental.
PUBLICIDAD
La investigación se centró en una magnitud que para el público general puede resultar abstracta, pero que en física cuántica es decisiva: la fase de una onda cuántica. Los autores buscaron medir cómo esa fase cambia cuando un átomo cae libremente bajo la acción de la gravedad y compararla con la de otro estado del mismo sistema mantenido inmóvil mediante fuerzas magnéticas.
Para hacerlo, el equipo utilizó un dispositivo al que llamó Interferómetro Cuántico de Galileo. La idea central del aparato fue dividir la onda cuántica asociada a un átomo en dos trayectorias distintas. Una parte quedó suspendida respecto del laboratorio, mientras la otra siguió una trayectoria de caída libre. Después, ambas se reunieron otra vez para observar qué diferencias había introducido la gravedad en su evolución.
PUBLICIDAD
El experimento se realizó con nubes de átomos de rubidio enfriados hasta una temperatura apenas superior al cero absoluto y manipulados sobre un chip atómico especialmente diseñado. En esas condiciones extremas, los investigadores pudieron controlar con gran precisión el comportamiento del sistema y registrar diferencias minúsculas entre ambas trayectorias.
El centro conceptual del trabajo es el principio de equivalencia, una idea básica de la relatividad general. Plantea que un observador en caída libre no puede distinguir localmente los efectos de la gravedad. La imagen clásica para explicarlo es la de una persona dentro de un ascensor que cae: durante ese movimiento, sentiría una forma de ingravidez.
PUBLICIDAD
Ese principio fue sometido a pruebas muy precisas a lo largo de décadas con objetos macroscópicos y materia ordinaria. La dificultad aparecía al intentar trasladarlo al terreno cuántico, donde las partículas no se comportan como cuerpos puntuales convencionales, sino también como ondas capaces de recorrer más de una trayectoria al mismo tiempo.
Eso es lo que vuelve relevante el nuevo ensayo. El equipo no se limitó a medir gravedad con partículas cuánticas, algo que ya había ocurrido en trabajos anteriores, sino que apuntó a una observación directa de la fase cuántica de un objeto en caída libre. Según los autores, el valor obtenido coincide con el esperado al aplicar el principio de equivalencia a ese sistema. De este modo, el resultado no modifica la teoría de Einstein, pero sí refuerza su consistencia cuando se la pone frente a un objeto gobernado por reglas cuánticas.
PUBLICIDAD
Los científicos utilizaron primero pulsos de microondas para llevar los átomos ultrafríos a un estado de superposición cuántica. Esa preparación hizo posible que cada átomo quedara asociado a dos trayectorias distintas al mismo tiempo.
Luego, mediante cables microscópicos integrados en el chip atómico, generaron campos magnéticos con control preciso. Una porción de la onda atómica respondió a esos campos de un modo que permitió aplicar una fuerza ascendente equivalente al tirón de la gravedad. Así, esa parte del sistema permaneció prácticamente estacionaria respecto de la Tierra y del laboratorio.
La otra porción fue impulsada hacia arriba con un pulso magnético y después colocada en un estado casi insensible al campo, de modo que pudiera moverse libremente y caer bajo la gravedad siguiendo una trayectoria balística. Al final del proceso, un nuevo pulso permitió recombinar ambas ramas de la onda. Cuando volvieron a superponerse, la interferencia entre las dos dejó al descubierto una diferencia de fase cuántica extremadamente pequeña, que era precisamente el dato buscado.
PUBLICIDAD
Los propios investigadores subrayaron los límites del resultado. El estudio no ofrece una teoría de gravedad cuántica ni resuelve la vieja tensión entre relatividad general y mecánica cuántica. Tampoco establece que la gravedad sea, por sí misma, un fenómeno cuántico.
Lo que sí hace es aportar una prueba experimental en un terreno donde hasta ahora predominaban las formulaciones teóricas y los ensayos indirectos. En la práctica, el trabajo muestra que, en el régimen analizado, las predicciones cuánticas y el principio de equivalencia siguen siendo compatibles.
Esa precisión no es menor, porque en la difusión pública de hallazgos de este tipo suele aparecer la tentación de presentar cualquier cruce entre gravedad y cuántica como si se tratara de la esperada “teoría del todo”. El nuevo experimento está lejos de ese objetivo, aunque su valor reside justamente en acotar con datos medibles qué partes de ambas descripciones continúan funcionando cuando se las lleva a una frontera común.
PUBLICIDAD
El autor principal, Ron Folman, de la Universidad Ben-Gurión del Néguev, sostuvo que el estudio combina un experimento exigente con una interpretación teórica sobre una de las preguntas centrales de la física: cómo integrar la gravedad descrita por Einstein con la teoría cuántica en una comprensión común del universo.
En la misma línea, el coautor Vlatko Vedral, del Departamento de Física de la Universidad de Oxford, señaló que no existe una teoría consistente que indique por qué la física cuántica debería fallar en ese dominio y que el experimento lleva esas predicciones a una de sus fronteras más discutidas.
PUBLICIDAD
Uno de los puntos que más atención puede atraer hacia adelante es el vínculo con una hipótesis defendida desde hace años por Roger Penrose. El físico británico propuso que la mecánica cuántica podría dejar de ser válida para objetos suficientemente masivos mantenidos en superposición durante tiempos prolongados. El experimento actual no llegó a esas masas ni a esas escalas temporales, de modo que no pone a prueba de manera directa esa idea.
Sin embargo, los autores sostienen que la técnica desarrollada puede abrir el camino para acercarse a ese terreno. Según explicaron, ya está en marcha un programa experimental con objetos más pesados, entre ellos nanodiamantes, para investigar si aparecen límites en el comportamiento cuántico cuando la masa aumenta.
PUBLICIDAD
Ese posible paso siguiente deja al estudio en una posición particular. Por un lado, ofrece un resultado puntual y medible sobre la relación entre caída libre y fase cuántica. Por otro, instala una plataforma experimental que podría ser utilizada en pruebas más ambiciosas sobre la estabilidad de la mecánica cuántica en sistemas de mayor escala.