Un nuevo trabajo revela el «cuánto» de la gravedad

La gravedad es parte de nuestra vida diaria. Sin embargo, la fuerza de la gravedad sigue siendo un misterio: hasta el día de hoy no sabemos si su naturaleza última es geométrica, como la concibió Einstein, o se rige por las leyes de la mecánica cuántica.

Hasta ahora, todas las propuestas experimentales para responder a esta pregunta se han basado en la creación del fenómeno cuántico del entrelazamiento entre masas pesadas y macroscópicas. Pero cuanto más pesado es un objeto, más tiende a deshacerse de sus propiedades cuánticas y volverse “clásico”, lo que hace muy difícil hacer que una masa pesada se comporte como una partícula cuántica.

en un estudio publicado en Revisión física Esta semana, investigadores de Ámsterdam y Ulm proponen un experimento que soluciona estos problemas.

¿Clásico o cuántico?

Combinar con éxito la mecánica cuántica y la física gravitacional es uno de los principales desafíos de la ciencia moderna. En general, el progreso en este campo se ve obstaculizado por el hecho de que todavía no podemos realizar experimentos en sistemas en los que los efectos cuánticos y gravitacionales sean relevantes.

Y en un nivel más fundamental, como dijo una vez el premio Nobel Roger Penrose, ni siquiera sabemos si una teoría combinada de la gravedad y la mecánica cuántica requeriría una «cuantización de la gravedad» o una «gravedad cuántica».

En otras palabras: ¿es la gravedad esencialmente una fuerza cuántica, cuyas propiedades se determinan en las escalas más pequeñas posibles, o es una fuerza “clásica” cuya descripción geométrica a gran escala es suficiente? ¿O es algo diferente todavía?

Siempre ha parecido que para responder a estas preguntas, el entrelazamiento cuántico desempeñaría un papel central. «La cuestión central, planteada inicialmente por Richard Feynman en 1957, es comprender si el campo gravitatorio de un objeto masivo podría entrar en la llamada superposición cuántica, donde estaría en varios estados», afirma el físico matemático Ludovico Lami. en la Universidad de Amsterdam y QuSoft al mismo tiempo.

“Antes de nuestro trabajo, la idea principal para resolver esta cuestión experimentalmente era buscar el entrelazamiento inducido gravitacionalmente: la forma en que masas distantes pero conectadas pueden intercambiar información cuántica. La existencia de tal entrelazamiento refutaría la hipótesis de que el campo gravitacional es puramente local. y clásico.”

Angulo diferente

El principal problema de las propuestas anteriores es que crear objetos masivos distantes pero relacionados, conocidos como estados no localizados, es un gran desafío. El objeto más pesado para el que se ha observado deslocalización cuántica hasta ahora es una partícula grande, mucho más ligera que la masa fuente más pequeña cuyo campo gravitacional se ha detectado, que pesa poco menos de 100 mg, más de mil billones de veces más pesada. Esto dejó a un lado cualquier esperanza de investigación experimental durante décadas.

En el nuevo trabajo, Lammy y sus colegas de Ámsterdam y Ulm (curiosamente el lugar donde nació Einstein) ofrecen una posible salida a este punto muerto. Proponen un experimento que revelaría el cuanto de gravedad sin generar ningún entrelazamiento.

«Hemos diseñado y estudiado una clase de experimentos que involucran un sistema de 'osciladores armónicos' masivos; por ejemplo, un péndulo de torsión, como el utilizado por Cavendish en su famoso experimento de 1797 para medir la intensidad de la fuerza gravitacional», explica Lamy. “Estableció límites matemáticamente estrictos a las señales de Un cierto empirismo de cantidad, que la gravedad clásica local no debería poder superar.

«Analizamos cuidadosamente los requisitos experimentales necesarios para implementar nuestra propuesta en un experimento real y descubrimos que, aunque se necesita cierto grado de avance tecnológico, dichos experimentos pronto podrían estar a nuestro alcance».

Una sombra de enredo

Sorprendentemente, para analizar el experimento, los investigadores todavía necesitan el mecanismo matemático de la teoría del entrelazamiento en la ciencia de la información cuántica. ¿Cómo es eso posible? Según Lamy, «La razón es que, aunque el entrelazamiento no existe físicamente, todavía existe en el espíritu, en el sentido matemático estricto. Basta con que se haya generado el entrelazamiento».

Los investigadores esperan que su artículo sea sólo el comienzo y que su propuesta ayude a diseñar experimentos que puedan responder a la pregunta fundamental sobre la cuántica de la gravedad mucho antes de lo esperado.