NeoFronteras

Proponen un experimento para medir efectos cuánticos sobre la gravedad y predicen qué se podría observar.

Como ya saben los lectores de NeoFronteras, uno de los grandes problemas de la Física moderna es el de no haber conseguido aún una teoría cuántica de la gravedad. Por un lado tenemos la relatividad General (RG) y por otro la Mecánica Cuántica (MC). Ambas han sido tremenda exitosas a la hora de predecir el comportamiento de fenómenos físicos y las aplicamos según nuestras necesidades. Si se trata de planetas, galaxias o el Universo (gran escala) mismo aplicamos la primera, si se trata de objetos pequeños como átomos, moléculas o electrones (pequeña escala) aplicamos la segunda. Los efectos cuánticos no se manifiestan cuando ampliamos el tamaño de los sistemas y éstos pasan a comportarse clásicamente.
Una unificación entre ambas teorías es necesaria para explicar bien el Big Bang o las singularidades de los agujeros negros, pues reinan las condiciones físicas en las que ambas son aplicables. Pero no disponemos de experimentos que nos permitan explorar tales escalas de energía. Toda propuesta a teoría cuántica de gravedad se basa en estudios puramente teóricos y debe de proporcionar, además de cumplir cierta consistencia interna, las predicciones habituales para casos energéticamente más cotidianos. Ninguna teoría propuesta ha conseguido todo esto y, a veces, como en el caso de las cuerdas, lo empeoran todo en lugar de proporcionar soluciones.
Cualquier experimento que nos guíe hacia una teoría cuántica de la gravedad siempre será una buena ayuda, pero el diseño de ese tipo de experimentos es muy difícil y hasta el momento no ha habido mucho éxito.
Ahora Caslav Brukner, de la Universidad de Viena, propone un experimento que trataría precisamente de observar efectos cuánticos de la gravedad, de estudiar un régimen en el que ambas teorías se solapan. Se centra en la medida de la noción del tiempo de la RG a la escala cuántica.
Una de las predicciones de la RG más interesantes dice que el tiempo pasa a distinto ritmo dependiendo de la intensidad del campo gravitatorio. De este modo el tiempo que transcurre más lentamente a nivel del mar que en la cumbre de una montaña. Este efecto ha sido además comprobado reiteradamente, incluso con una diferencia de altura sólo un par de metros. Obviamente cuando se trata de de la Tierra y esos casos la diferencia temporal es increíblemente minúscula. Pero un hipotético astronauta cayendo en un agujero negro podría ver el fin del Universo gracias a este efecto.
La idea de Brukner es usar este efecto junto la superposición cuántica. Una partícula cuántica puede perder la característica clásica de tener una posición bien definida y estar en una superposición de estados. Esto incluso permite que una partícula interfiera consigo misma. Pero si se mide la posición entonces la función de ondas de la partícula colapsa y queda definida. Pero no se puede observar la interferencia y además una posición definida simultáneamente. Esta conexión entre información e interferencia es un ejemplo de complementariedad cuántica, que fue propuesto por primera vez por Niels Bohr.
Este equipo de investigadores propone disponer una partícula como si fuera un reloj que tenga un grado de libertad interna como el spin y llevarlo a una superposición entre dos localizaciones a distinta altura sobre la superficie de la Tierra, es decir, bajo intensidades de campo gravitatorio distintas. Según la RG el “reloj” marchará a distinto ritmo a estas dos distintas alturas, pero la medida del tiempo revelara la información sobre la localización del reloj, ya que una vez se mide se fija una de las dos posiciones posibles, entonces la interferencia se pierde y la naturaleza ondulatoria del reloj se pierde.

En el montaje hay dos divisores de haz (BS) un desfasador (PS) y dos detectores (D). El haz se divide en dos trayectorias que al final se han interferir. Todo ello se da en un campo gravitatorio orientado antiparalelamente con el eje x. La separación entre caminos en la dirección del campo es Δh. La RG induce un transcurrir del tiempo propio diferente entre caminos. Los autores predicen no solamente un desfase y por tanto, un desplazamiento del patrón de interferencia, sino que la visibilidad de éste tiene que reducirse debido a que la información de la trayectoria termina estando disponible a partir de la lectura del tiempo propio del “reloj”. Fuente: Magdalena Zych, Fabio Costa, Igor Pikovski y Časlav Brukner.

¿Y que se vería en este caso? Básicamente se vería una figura de interferencia de la partícula interfiriendo consigo misma. Pero debido a la existencia del campo gravitatorio habría un desfase entre las funciones de onda de los distintos caminos (un desplazamiento del patrón interferencia) y además ese patrón sería más débil.
Normalmente este desfase suele aparecer en sistemas en los que se da el efecto Aharonov–Bohm en donde el espacio-tiempo es plano pero en donde hay un potencial efectivo (generalmente el potencial vector electromagnético), pero aquí aparece sin que haya tal potencial debido a que el espacio-tiempo no es plano, sino curvado debido a la presencia de un masa (la Tierra) que produce un campo gravitatorio que a su vez induce una decoherencia cuántica.
Los investigadores proponen que con un interferómetro atómico se podría ver el efecto, incluso aunque no se alcance una ortogonalidad total entre relojes.
Magdalena Zych, líder del artículo donde se expone la idea, dice que el experimento requiere tanto Relatividad General como Mecánica Cuántica y esta interacción entre teorías no ha sido comprobada en experimentos aún. Por tanto, es la primera propuesta para un experimento que permite comprobar la noción de tiempo de la RG en conjunción de la complementariedad cuántica.

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Fuentes y referencias:
Nota de prensa.
Artículo original (en abierto).