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De todas las fuerzas de la física probablemente la fuerza de la gravedad sea la que sentimos más presente. Sin embargo, es una fuerza muy débil y ni siquiera todo un planeta es suficiente para contrarrestar la atracción electrostática que un papelito siente por un trozo de ámbar cargado eléctricamente. Esto se debe a que la constante G que determina la intensidad de esta fuerza es muy pequeña, concretamente G = (6,6742 ± 0,0010) x 10-11 N m2 kg-2.
El valor de G o constante de gravitación universal se conoce con muy mala precisión. Ahora una técnica basada en la mecánica cuántica pretende conocer esta constante con mayor precisión, y de paso quizás saber algo más sobre la naturaleza de la fuerza gravitatoria y del propio espacio.
El problema es que al ser G tan débil se necesitan grandes masas que ejerzan una fuerza lo suficientemente intensa como para que actuando sobre una balanza de torsión se pueda medir algo.
Mark Kasevich de Stanford University (Palo Alto, California) y sus colaboradores han usado una técnica mecánico cuántica basada en la interferometría atómica para medir G.
Un interferómetro convencional divide un haz luz en dos. Luego, estos haces son enviados por caminos diferentes y recombinados para producir el típico patrón de interferencias en forma de bandas brillantes y oscuras cuya ubicación dependerá de la diferencia de camino.
Debido a las propiedades mecánico cuánticas los átomos se comportan como ondas y bajo ciertas condiciones pueden interferir con otros e incluso presentar el mismo tipo de patrón de interferencia.
En este caso para crear el interferómetro de átomos disponen un vapor ultrafrío de átomos de cesio en una cámara de vacío y aplican un rayo láser al vapor. Bajo el efecto del láser los átomos suben hacia arriba y luego bajan por efecto de la gravedad como lo haría el agua de una fuente. Los investigadores ajustaron el láser para colocar los átomos en un estado cuántico o superposición tal que la «fuente» alcanzaba dos alturas al mismo tiempo (algo permitido por la mecánica cuántica). La diferencia precisa entre estas dos alturas depende de la fuerza de la gravedad que tira hacia abajo de los átomos, fuerza que puede modificarse colocando una masa extra de control debajo.
Los investigadores no pueden medir la diferencia directamente, pues eso destruiría el estado cuántico, pero pueden usar el patrón de interferencia producido cuando las funciones de onda de los átomos en las dos trayectorias ascendente y descendente interfieren entre sí.
En este experimento colocaron un cuerpo de 540 Kg de plomo debajo del dispositivo y que hacía las veces de masa de control. Para controlar las fuentes de error los investigadores midieron el efecto a varias alturas de la masa de control.
Entonces pudieron observar cómo el patrón de interferencias se corría. Midiendo cuánto se había desplazado el patrón pudieron calcular un valor de G que entra dentro del valor conocido en la actualidad.
De momento la técnica no es lo suficientemente precisa como para rendir una mayor precisión que las técnicas habituales, aunque esperan mejorarla en un próximo futuro, pues el sistema está libre de los errores típicos de los métodos tradicionales. Concretamente el valor obtenido es unas 100 veces menos preciso que el conocido, pero empezar obteniendo un valor compatible con el conocido es ya una buena señal para un primer resultado. Mark Kasevich asegura tener el sentimiento de comenzar a entender la naturaleza de la gravedad un poco mejor que antes.
Este tipo de experimentos han estado de moda en años recientes para intentar comprobar ciertas predicciones física teórica que hablan de dimensiones ocultas del espacio-tiempo. Sería en las dimensiones extras del espacio por donde «escaparía» parte de la intensidad de la fuerza gravitatoria que no sentimos.
Aunque la medida de G parece un fin más prosaico, aprender a medir la gravedad permitirá alcanzar logros científicos más interesantes en el futuro. Y lo bonito del experimento es que se puede ver la acción del campo gravitatorio en el más puro sentido mecánico cuántico directamente.
Referencias:
Science (vol 315, p 74)
Artículo en arXiv. [1]