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Cómo mejorar LIGO y similares

Área: Física — domingo, 21 de mayo de 2017

Proponen un método para superar el límite cuántico estándar y que la detección de ondas gravitacionales sea más fácil.

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El hecho de que se hayan detectado las ondas gravitacionales (OG) ha disparado las propuestas de experimentos para detectarlas.

Al constituir estas ondas una nueva ventana observacional la Universo, se trata de explorar las distintas gamas de frecuencias que corresponderían a distintos fenómenos físicos.

LIGO puede detectar una de esas gamas de frecuencia y no otras y tiene una sensibilidad condicionada por límites físicos. Además, es un observatorio muy caro. Así que puede ser interesante explorar otras vías. Así, por ejemplo, Chunnong Zhao, Haixing Miao y Yiqiu Ma han propuesto recientemente un nuevo diseño que aprovecharía la famosa acción de distancia de la Mecánica Cuántica para detectar este tipo de ondas.

La ventaja de este nuevo diseño es que podría detectar señales por debajo del límite que previamente se creía infranqueable y al que los físicos denominan “límite cuántico estándar” y que depende del principio de incertidumbre. Según este estudio, el límite cuántico estándar ya no sería una barrera.

Como todos sabemos, las OG no son vibraciones que viajan por el espacio como puedan ser las ondas electromagnéticas, sino que son vibraciones del propio espacio. Si a una región de espacio llega un frente de estas ondas, esa región de espacio se expandirá y contraerá alternativamente. Pero estos cambios del propio espacio son diminutos, muchos órdenes de magnitud menores que el tamaño de un protón, incluso aunque hayan sido producidas por los fenómenos más energéticos del Universo, como la colisión de agujeros negros. Por tanto, son muy difíciles de detectar. De hecho, se tardó un siglo desde que Einstein propuso su existencia.

LIGO consiste dos interferómetros ópticos de tamaño kilométrico en los que haces de luz láser viajan repetidamente entre su brazos. Son unas máquinas de precisión exquisita capaces de medir unas cantidades de energía nunca jamás medidas de tan pequeñas como son.

LIGO no es suficiente para lo que a los astrofísicos les gustaría medir. Cuanto más lejos se dé la fuente más difícil será distinguirla del fondo de ruido que incluso también depende del límite cuántico estándar. Pero cuantos más casos de estos se mida siempre será mejor desde el punto de vista estadístico, así que se quiere detectar OG cuyas fuentes sean lejanas.

A los astrofísicos también les gustaría estudiar el propio Big Bang, que, según algunos, tiene que resplandecer en OG. Si se pudiera observar esto nos podríamos remontar al momento casi cero del Big Bang. Ahora mismo sólo podemos ver directamente lo que pasó trascurridos 380.000 años tras el Big Bang en ondas electromágnéticas, pues antes el Universo no era transparentes a estas ondas. El límite de justo 380.000 años lo constituye el fondo cósmico de microondas. Pero el Universo sí fue transparente a los neutrinos un tiempo antes y a las OG durante casi todo el tiempo. Poder medir esto sería una ventana directa a la gravedad cuántica y un filtro para cualquier propuesta a una teoría cuántica de la gravedad.

El problema es la longitud de onda implicada y, por tanto, la necesidad de usar interferómetros muy grandes. Por esta razón se han hecho propuestas como LISA, que sería un interferómetro que operaría en el espacio con una base muy grande, de incluso miles de kilómetros.

Además, recientemente se ha propuesto el uso de las OG para estudiar la textura del propio espacio o las dimensiones ocultas. A la propuesta que cubrimos en NF hace unos días, se ha sumado otra para detectar con LIGO cosas parecidas e incluso más exóticas que los agujeros negros en colisión, como las cuerdas cósmicas. Pero para todo esto se necesita una precisión que, de momento, LIGO y similares no pueden alcanzar.

La nueva propuesta de los investigadores chinos se basa en la paradoja EPR. En 1935 Albert Einstein, Boris Podolsky y Nathan Rosen propusieron esta paradoja para tratar de señalar que la Mecánica Cuántica era incompleta, pues, aparentemente, permitía la comunicación a mayor velocidad que la luz. Como esto era un absurdo, entonces esta teoría debía de estar mal. Más tarde se pudo comprobar que, en realidad, esta “tenebrosa acción a distancia” no permitía transmitir información, por lo que la causalidad relativista era conservada.

En todas las décadas transcurridas desde entonces se ha podido comprobar la realidad de esta acción a distancia en multitud de experimentos. Estos consisten básicamente en lanzar dos partículas correlacionadas en direcciones opuestas. El colapso de la función de ondas de una ellas determina el estadio tras el colapso de la otra. En la actualidad incluso se usa esta propiedad de acción a distancia para enviar mensajes codificados cuánticamente que no puedan ser comprometidos. Aunque, obviamente, no vayan a mayor velocidad que la luz. Incluso multitud de laboratorios persiguen el aprovechamiento de estas propiedades cuánticas de entrelazamiento para crear un computador cuántico que tenga un potencia sin igual, de momento sin mucho éxito práctico.

Estos científicos chinos quieren usar estas propiedad de entrelazamiento para diseñar un nuevo detector de OG. La ventaja es que puede aprovechar las mismas instalaciones que usan ahora mismo con fotones.

En el nuevo diseño se parte de dos fotones correlacionados que son creados en un dispositivo que ya fue desarrollado en su día por la Australian National University y que ya es una tecnología establecida. Luego basta con usar el detector dos veces.

En la primera vez los fotones del detector son alterados por la OG. La segunda vez el detector es usado para cambiar el entrelazamiento cuántico de tal modo que el ruido cuántico debido al principio de incertidumbre es eliminado. Lo único que es medido es precisamente el cambio de distancia entre los espejos provocado por la OG que está cruzando el dispositivo.

Ya hay grupos de científicos deseando investigar la nueva propuesta. Así, por ejemplo, uno de ellos es el grupo de detección de OG de Hannover en Alemania, que ya ha probado numerosas tecnologías asociadas a la detección de OG.

No deja de ser paradójico que la Mecánica Cuántica que Einstein quiso derribar durante toda su vida, al final consiga evidenciar todos los aspectos de la Relatividad General e incluso la rebase.

Copyleft: atribuir con enlace a http://neofronteras.com/?p=5545

Fuentes y referencias:
Artículo original.
Foto: LIGO.

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7 Comentarios

  1. lluís:

    ¿Significa que el límite cuántico estándar no represente ya una barrera, una inaplicación en ese límite del principio de Incerteza? ¿ Se puede, entonces, medir instantáneamente la energía de la onda gravitacional?. Por otra parte, si se puede medir algo (el cambio de distancia entre los espejos) utilizando la “tenebrosa acción a distancia” ¿no se está obteniendo o transmitiendo información que violaría la causalidad relativista?

    No sé, pero siempre me ha parecido que si en el entrelazamiento cuántico el colpaso de la función de onda de una partícula correlacionada con la otra determina instántaneamente el estado de la otra, “algo” parecería que viaja más rápido que la luz.

  2. Gerardo:

    Si entiendo bien, no es que ya no exista el limite cuantico estandard, lo que ya no está presente es el ruido que ocasiona.

    Al tener las particulas entrelazadas, se afectan al mismo tiempo por el ruido, con el diseño adecuado, se deberia poder lograr que a una particula la afecte positivamente y la otra negativamente, eso cancela la señal de ruido, y en el colapso de la función de onda solo queda la señal medida.

    Es el mismo efecto logrado en los cables de red ethernet, los cuales tienen un “par trenzado”, y la señal no se transmite usando un cable a tierra y otro con señal, sino con dos cables con señal: uno V+ y otro V-

  3. lluís:

    Bueno, pero es que en el artículo dice ” La ventaja de este nuevo diseño es que podría detectar señales por debajo del límite que se creía infranqueable..” ¿ supone esto que el principio de Incerteza se puede ir forzando paulatinamente hasta dejarlo practicamente inoperante? Esto es imposible. Entonces, ¿ dónde estaría ese límite?. ¿ Se llegó ya el límite infranqueable?

  4. Dr. Thriller:

    El límite infranqueable aparece descrito: “límite cuántico estándar” (standard quantum limit).

    http://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_limit

    A quantum limit in physics is a limit on measurement accuracy at quantum scales. Depending on the context, the limit may be absolute (such as the Heisenberg limit), or it may only apply when the experiment is conducted with naturally occurring quantum states (e.g. the standard quantum limit in interferometry) and can be circumvented with advanced state preparation and measurement schemes.

  5. Dr. Thriller:

    El límite infranqueable aparece descrito: “límite cuántico estándar” (standard quantum limit).

    http://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_limit

    A quantum limit in physics is a limit on measurement accuracy at quantum scales. Depending on the context, the limit may be absolute (such as the Heisenberg limit), or it may only apply when the experiment is conducted with naturally occurring quantum states (e.g. the standard quantum limit in interferometry) and can be circumvented with advanced state preparation and measurement schemes.

  6. lluís:

    Exacto, eso es Dr.Thriller. Es lo que podría haber hecho yo, buscarlo en “Wiki”. Pero no lo hice por dos razones, la principal es para ver si surgía algún tipo de debate aquí sobre el principio de Incerteza y se aportaba alguna idea al respecto, como por ejemplo hizo Gerardo.

    Y la segunda,es aquello de “bueno, ya lo buscaré otro día” y van pasando los días y te encuentras con otras cosas y con poco tiempo para todo y lo vas posponiendo. Ese resumen me ahorró trabajo.

    Un saludo y gracias por tu diligencia.

  7. Tomás:

    Una de las cosas que más me asombran es cómo conseguir que la superficie de los espejos sea casi perfecta, sin rugosidades debidas a la misma estructura de la materia: átomos al fin como máxima finura.

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