Cómo encaja la mecánica cuántica con la teoría de la relatividad general de Einstein sigue siendo una de las mayores preguntas sin respuesta de la física actual.
Mientras que el primero explica el comportamiento de los quarks, fotones y otras partículas cuánticas, el segundo describe la gravedad como la deformación del espacio-tiempo. Ambas teorías son ampliamente aceptadas por la comunidad científica. Sin embargo, parecen incompatibles.
Pero ahora parece que al menos una parte de la teoría de Einstein se mantiene en el mundo cuántico: el principio de equivalencia.
Los investigadores, que escriben en Science Advances, no afirman haber unido las dos teorías ni haber demostrado que la gravedad es cuántica, pero han demostrado que un efecto predicho por el principio de equivalencia de Einstein ocurre a nivel cuántico, al menos en ciertos casos.
“Este es un artículo único, en el sentido de que combina un duro experimento con una interpretación teórica de largo alcance, sobre una de las cuestiones más fundamentales de la física: ¿Cómo se pueden unificar la gravedad (descrita por la teoría de la relatividad de Einstein) y la teoría cuántica en una sola comprensión del universo?” dijo el autor principal Ron Folman de la Universidad Ben-Gurion del Negev en un comunicado.
“Estos dos pilares de la física moderna han eludido hasta ahora todos los intentos de lograr un marco teórico unificado, pero este complejo experimento ofrece más pistas sobre cómo se puede lograr tal unificación”, añadió Folman.
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El principio de equivalencia y el ascensor de Einstein
El chip atómico utilizado en el experimento fue fabricado en la Universidad Ben-Gurion del Negev. En el experimento, el chip estaba al revés y los átomos fueron manipulados justo debajo de él.
(Crédito de la imagen: Universidad Ben-Gurion del Negev)
El ascensor de Einstein es un experimento mental que explica el principio de equivalencia, según un estudio de arXiv. Se basa en la idea de que la gravedad desaparece localmente para un observador que está en caída libre.
Esencialmente, una persona en un ascensor sin ventanas no podría saber si sus pies están en el suelo porque están en la Tierra y están experimentando gravedad o si están en el espacio y sin peso, pero sienten el piso del ascensor que se acelera empujándolos.
Esta teoría se mantiene cuando se prueba con objetos ordinarios pero, hasta ahora, no se ha observado en objetos cuánticos.
Prueba del principio de equivalencia en objetos cuánticos
Para este experimento, Folman y sus colegas utilizaron nubes de átomos de rubidio ultrafríos. Estos se colocaron cerca de la superficie de un chip atómico, un dispositivo utilizado para controlar y manipular átomos con pequeños campos electrónicos, ópticos o, en este caso, magnéticos. Esto permitió al equipo colocar los átomos en una superposición cuántica, lo que significa que una sola partícula puede existir en múltiples formas o ubicaciones a la vez.
En este escenario, uno era colocado en una posición estacionaria, un estado que se lograba produciendo una fuerza ascendente que anulaba el efecto de la gravedad. Mientras tanto, el segundo fue lanzado hacia arriba con un movimiento magnético antes de que se le permitiera caer bajo la gravedad.
Una vez que se completó la caída, se usó un pulso magnético para unir las dos partes, creando una interferencia que el equipo pudo usar para medir pequeñas variaciones en la fase cuántica que se habían acumulado durante partes anteriores del experimento. Las mediciones coincidieron con las predicciones basadas en la equivalencia de Einstein.
“No tenemos una teoría consistente que nos diga por qué la física cuántica debería fallar”, dijo en un comunicado el coautor Vlatko Vedral, profesor del departamento de física de la Universidad de Oxford, Reino Unido. “Este experimento lleva la mecánica cuántica a una de sus fronteras más intrigantes, la gravedad, y demuestra que, una vez más, sus predicciones se cumplen”.
Los investigadores son cautelosos en sus afirmaciones y enfatizan que el resultado muestra que el principio de equivalencia se cumple en el escenario preciso probado. Podría proporcionar pistas sobre cómo se conectan la mecánica cuántica y la teoría de la gravedad de Einstein, pero no resuelve el dilema de décadas.
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