Estamos acostumbrados a pensar en la gravedad en el contexto de grandes masas: el giro de los planetas, la atracción inexorable de un agujero negro.
Pero todo lo que tiene masa, por pequeña que sea, ejerce una atracción gravitacional sobre todo lo demás.
Sin embargo, existe una frontera esperada en la que la dinámica clásica descrita tan elegantemente por la relatividad general debe reconciliarse de alguna manera con el hermoso caos de la mecánica cuántica.
¿Cómo encontramos esta frontera? Intentando medir las interacciones gravitacionales en escalas cada vez más pequeñas, siempre refinando las técnicas para que algún día, con suerte, podamos vislumbrar lo que hay allí.
Y ahora, físicos dirigidos por Shan-Qing Yang de la Universidad Sun Yat-sen en China han anunciado un nuevo hito: una medición de la atracción gravitacional entre el par de masas más pequeño hasta el momento, dos obleas de silicio que pesan cada una apenas 7,6 miligramos.
Se trata, escriben en un artículo publicado en Nature Communications, “un paso significativo hacia la unión de los regímenes de gravitación clásico y cuántico”.
La relatividad general y la teoría cuántica son dos formas diferentes de describir matemáticamente el comportamiento del Universo en diferentes escalas.
La relatividad describe la gravedad como la curvatura de un tejido continuo del espacio-tiempo, mientras que la mecánica cuántica describe el comportamiento de la materia y la energía utilizando las matemáticas de la probabilidad.
Ambas teorías tienen un éxito maravilloso en sus respectivos ámbitos, pero sus marcos matemáticos no encajan perfectamente, lo que deja a los físicos sin una descripción completa de cómo se comporta la gravedad cuando entran en juego los efectos cuánticos.
Para encontrar una puerta a este régimen, en los últimos años los físicos han recurrido a un experimento que se hizo famoso por el científico inglés del siglo XVIII Henry Cavendish, que podría aislar la atracción gravitacional entre masas relativamente pequeñas de la atracción abrumadora de la Tierra.
El experimento de Cavendish consistió en una balanza de torsión, con pesas de plomo unidas a cada extremo de una varilla suspendida horizontalmente y pesas de plomo más grandes colocadas cerca.
La atracción entre los pesos cercanos y los de la varilla hizo que la varilla girara, torciendo el alambre del que estaba suspendida, lo que permitió a Cavendish medir la atracción gravitacional en función de cuánto se retorcía el alambre.
En 2021, un equipo de físicos describió lo que en ese momento era la demostración más ligera de Cavendish hasta el momento: una medida de la atracción gravitacional entre dos diminutas esferas de oro, cada una de las cuales pesa alrededor de 92 miligramos.
Y, en su artículo, plantearon el desafío de ir aún más lejos.
Al parecer, Yang y sus colegas aceptaron.
Su versión del experimento Cavendish tenía un estilo especial.
Utilizando una técnica llamada grabado profundo de silicio, los investigadores crearon una balanza de torsión en miniatura, con una pequeña oblea de silicio que pesaba sólo 7,6 miligramos en un extremo de una varilla suspendida y un contrapeso en el otro.
Pero en lugar de colocar una sola masa cerca para ejercer una atracción gravitacional, el equipo construyó una rueda giratoria con 16 obleas de silicio idénticas dispuestas alrededor de su circunferencia.
A medida que la rueda giraba, cada oblea pasaba sucesivamente cerca de la masa de prueba, ejerciendo un pequeño tirón gravitacional.
La rueda completó una rotación cada 10 minutos, lo que significa que el tirón gravitacional se repitió 16 veces por rotación, una señal clara y repetida que los investigadores pudieron distinguir del ruido de fondo.
Todo el aparato estaba encerrado en una cámara de vacío, con una fina membrana de silicio recubierta de oro que separaba las masas giratorias de la balanza de torsión para minimizar la interferencia de las fuerzas electrostáticas.
Y en lugar de permitir que la balanza girara libremente, los investigadores utilizaron un sistema de retroalimentación electrónica para mantenerla casi perfectamente quieta, midiendo la fuerza requerida para contrarrestar la atracción gravitacional.
Cuando observaron el par en la balanza de torsión, encontraron una atracción gravitacional consistente con las predicciones de Newton, incluido un tirón diminuto calculado en sólo 471 attonewtons, o 0,0000000000000000471 newtons, en la separación más cercana.
Para ponerlo en contexto, eso es alrededor de 20 mil millones de veces más débil que la fuerza gravitacional que mantiene un solo grano de arena de 1 miligramo en la superficie de la Tierra.
Los investigadores descubrieron que, incluso a estas escalas casi astronómicamente pequeñas, la ley universal de gravitación de Newton todavía se mantiene firme.
A partir de sus mediciones, incluso pudieron calcular la constante gravitacional (G), obteniendo un valor consistente con el valor recomendado internacionalmente, con una incertidumbre del 5,3 por ciento.
Esto, para ser claros, todavía no está ni cerca de la gravedad cuántica. Pero es un paso significativo más cerca de lo que estábamos.
Para acercarse aún más, los físicos están desarrollando una variedad de técnicas para medir la gravedad a escalas cada vez más pequeñas, desde balanzas de torsión como la de Yang hasta sistemas que suspenden objetos diminutos utilizando campos luminosos o magnéticos.
Cada enfoque conlleva sus propios desafíos, en particular la necesidad de eliminar la interferencia y preservar los delicados estados cuánticos de los objetos que se estudian.
En última instancia, el objetivo es medir la gravedad entre objetos cuyo comportamiento se rige por la mecánica cuántica, para ver si la propia gravedad tiene propiedades cuánticas.
En conjunto, estos diferentes enfoques ofrecen la esperanza de que dicha medición pueda estar al alcance de la mano.
“El avance continuo de estos enfoques, cada uno de los cuales opera a través de regímenes de masa diferentes pero cada vez más superpuestos, promete que las interacciones gravitacionales entre objetos de estado cuántico podrán observarse en el futuro previsible”, escriben Yang y sus colegas.
La investigación ha sido publicada en Nature Communications.
Este artículo fue verificado por Fiona MacDonald y editado por Fiona MacDonald. Si bien nos enorgullecemos de nuestro proceso, somos humanos. Si detecta un error, háganoslo saber.