Un experimento propuesto podría acercar a los científicos a responder la antigua pregunta de si la gravedad es un fenómeno clásico o cuántico
Puede que la gravedad sea la más conocida de las cuatro fuerzas fundamentales, pero es, con diferencia, la más débil. Esta debilidad ha impedido a los investigadores explorar las propiedades intrínsecas de la gravedad y, en particular, determinar si la fuerza es de naturaleza clásica o cuántica. Esta determinación se busca desde hace mucho tiempo porque podría ayudar a los físicos a reconciliar la teoría de la gravedad con las descripciones cuánticas de las otras fuerzas fundamentales. Ese objetivo podría estar ahora un paso más cerca gracias a una estrategia experimental radicalmente nueva ideada por Ludovico Lami de la Universidad de Amsterdam y sus colegas [ 1 ].
Los experimentos propuestos anteriormente para probar la “cuantidad” de la gravedad se han centrado en el entrelazamiento, un efecto puramente cuántico en el que las propiedades de los objetos se correlacionan de una manera no clásica. En esos experimentos, dos objetos pesados y muy separados se colocan en estados cuánticos altamente deslocalizados, lo que significa que sus funciones de onda se distribuyen en un gran volumen de espacio. Los teóricos predicen que, si la gravedad es intrínsecamente cuántica, la atracción gravitacional mutua entre los dos objetos podría hacer que se enreden (verSinopsis: Una prueba del lado cuántico de la gravedad). «Elprincipal problema de estas propuestas anteriores es que crear estados altamente deslocalizados de objetos pesados es muy difícil de crear», afirma Lami, investigador principal del nuevo trabajo. Además, el enredo es increíblemente frágil y puede resultar difícil de detectar.
La estrategia sugerida por Lami y sus colegas evita estos problemas porque no requiere la producción de estados cuánticos altamente deslocalizados ni la generación y detección de entrelazamientos. Como ejemplo concreto de su enfoque, los investigadores consideran un experimento que involucra dos péndulos de torsión: cuerpos rígidos suspendidos por alambre que giran hacia adelante y hacia atrás mientras sus alambres se tuercen. Estos cuerpos tienen forma de pesas, cada extremo pesa menos de un gramo y constituye la mitad de una cavidad óptica; la otra mitad es un espejo fijo. A medida que los péndulos oscilan, cambian el tamaño y por tanto la longitud de onda resonante de cada cavidad. Este cambio se puede detectar iluminando las cavidades con luz láser y luego midiendo la intensidad del patrón de interferencia resultante.
Los dos péndulos se acoplan mediante su atracción gravitacional mutua colocándolos cerca uno del otro con sus orientaciones de equilibrio en paralelo. Para garantizar que la gravedad sea la fuerza dominante entre los péndulos, se coloca un escudo en el medio para suprimir cualquier posible interacción electromagnética y óptica. Además, la distancia que separa los péndulos se elige cuidadosamente para que su atracción gravitacional sea siempre mucho más fuerte que la fuerza de Casimir entre ellos y el escudo.
Utilizando su acoplamiento a las cavidades ópticas, los péndulos son primero llevados a sus estados fundamentales, en los que están en reposo, y luego colocados en estados coherentes seleccionados al azar, en los que oscilan con una amplitud bien definida. A continuación, se dejan evolucionar bajo la gravedad durante un tiempo determinado. Se calculan los estados esperados de los péndulos al final de ese tiempo, asumiendo que la interacción gravitacional es de naturaleza cuántica. Luego se da a los péndulos un pequeño empujón que devolvería esos estados calculados a los estados fundamentales. Finalmente, después de aplicar ese empujón, se verifican los péndulos para ver si realmente están en sus estados fundamentales. Este procedimiento se repite muchas veces y se determina la probabilidad de encontrar los péndulos en sus estados fundamentales siguiendo estos pasos. Si esta probabilidad excede un límite superior calculado para la gravedad clásica, indica que la gravedad no es clásica.
Para calcular ese límite superior, Lami dice que su equipo «trajo y perfeccionó cierta maquinaria matemática pesada de la teoría de la información cuántica» y, en particular, «utilizó herramientas de la teoría de la manipulación del entrelazamiento». Una suposición clave detrás de este cálculo, que también sustenta los protocolos anteriores basados en entrelazamiento, es que, para la gravedad clásica, las interacciones gravitacionales entre objetos cuánticos pueden describirse mediante una secuencia de operaciones cuánticas locales asistidas por la comunicación clásica. Sin embargo, esa suposición es un tema de acalorado debate. Otro posible problema con la nueva propuesta es que el experimento requiere largos tiempos de coherencia, péndulos de torsión que pierden poca energía al oscilar y un ambiente ultrafrío. Sin embargo, los investigadores esperan que su trabajo abra una nueva vía experimental en la investigación de la interacción entre la gravedad y la física cuántica.
Andrea Mari y David Vitali, dos físicos cuánticos de la Universidad de Camerino, Italia, creen que el enfoque sugerido es una alternativa prometedora a los protocolos más convencionales basados en entrelazamiento y es, en principio, factible con la tecnología existente o del futuro cercano. Destacan que, en última instancia, los experimentadores decidirán qué esquema es el mejor y el más conveniente.
Fuente: Ryan Wilkinson
Ryan Wilkinson es editor correspondiente de la revista Physics Magazine con sede en Durham, Reino Unido.
Referencias
- L. Lami y col. , «Prueba de la cuántica de la gravedad sin entrelazamiento», Phys. Rev. X 14 , 021022 (2024) .
