Una vieja idea de Einstein llega al mundo cuántico

Por Julio García G. / Periodista de Ciencia

En un artículo publicado en 1907, dos años después de haber presentado la Teoría de la Relatividad Especial, Albert Einstein planteó una de sus ideas más trascendentes que dio pasó a la construcción de la Teoría de la Relatividad General que llegaría en 1915. 

El artículo en cuestión lleva por título “Sobre el principio de la relatividad y las consecuencias extraídas de él” y, en este, el físico alemán afirma que un observador en caída libre no siente su propio peso. 

De ahí dedujo –gracias a su inmensa capacidad intuitiva– que, de manera local, los efectos de un campo gravitatorio y los de un sistema de referencia acelerado podían considerarse equivalentes, lo cual significa que, si usted o yo nos encontramos dentro de un elevador completamente cerrado que de pronto comenzara a acelerar hacia arriba, sentiríamos que nuestro cuerpo es empujado contra el piso y, sin ninguna referencia del exterior, nos sería imposible distinguir si esa sensación se debe a la aceleración del propio elevador o a la presencia de un campo gravitatorio.

Pero quizá el ejemplo más interesante que hace indistinguible a la aceleración de la gravedad es el de un elevador en caída libre, donde una persona y los objetos que la acompañan caen con la misma aceleración y parecen flotar; localmente la gravedad parece haber desparecido porque su presencia queda completamente nulificada. 

Aunque todos estos experimentos fueron concebidos desde la gran imaginación de su creador, en realidad describen situaciones que suceden en la vida cotidiana y Einstein fue capaz de distinguirlos y describirlos con mucha precisión a través de ecuaciones.

Tan bien descritos están que, a todos estos fenómenos, los físicos les han puesto un nombre en común: el Principio de Equivalencia.

Este principio está presente, siempre, en el mundo macroscópico, en ese dónde convergemos usted y yo, el resto de los seres vivos, la Tierra, los demás planetas y las estrellas. Sin embargo, ¿podría suceder también a escala microscópica, donde aparentemente las cosas dejan de obedecer a las leyes y campos gravitatorios y donde más bien imperan y reinan las leyes de la mecánica cuántica?

De acuerdo con un nuevo estudio publicado hace apenas unos días en la revista Science Advances, un grupo de investigadores, entre los que destacan el físico y matemático británico Roger Penrose (ganador del Premio Nobel de Física en 2020 por sus contribuciones al entendimiento de los agujeros negros), en el universo microscópico de las partículas –en el mundo cuántico– también está presente el principio de equivalencia. 

El descubrimiento no es un asunto menor, ya que, por primera vez, aunque esto no signifique que ya se pueda hablar de gravedad cuántica, o que de que la gravedad sea un fenómeno emergente de la mecánica cuántica, ni de que el campo gravitatorio esté cuantizado, sí es relevante porque ciertas leyes de la naturaleza reservadas a lo macroscópico, como el principio de equivalencia, pueden suceder en lo microscópico. 

Durante décadas, por ejemplo, Penrose ha defendido la posibilidad de que exista una relación profunda entre la gravedad y el colapso de la superposiciones cuánticas.

El nuevo experimento no pone a prueba directamente esta hipótesis, ya que utiliza masas demasiado pequeñas y tiempos de superposición demasiado cortos como para esperar en efecto apreciable de este tipo. 

Ahora bien, ¿en qué consistió el experimento, que, por cierto, no fue puramente mental como aquellos ideados por Einstein?

Los investigadores trabajaron con átomos de rubidio-87 que se encontraban a temperaturas apenas superiores al cero absoluto el cual es de -273 °C y utilizaron un dispositivo que bautizaron como Interferómetro Cuántico de Galileo. 

Primero, prepararon los átomos en un estado cuántico controlado y, mediante pulsos de microondas consiguieron ponerlos en una superposición de dos estados internos diferentes. Esto permitió que la onda de materia asociada a cada átomo se separara coherentemente en dos paquetes de onda.

Lo curioso de todo es que los dos paquetes de ondas experimentaron situaciones distintas. 

Por ejemplo, el primer paquete estuvo sometido a un campo que producía una fuerza hacia arriba que pudiera compensar la gravedad (como el elevador al que me refería). De esta manera, este paquete permaneció prácticamente inmóvil respecto del laboratorio y de la Tierra: era el paquete de referencia.

Al segundo paquete, por el contrario, le dieron inicialmente un pequeño impulso hacia arriba y luego lo colocaron en un estado prácticamente insensible al campo magnético. Desde ese momento quedó sometido esencialmente a la gravedad: subió, se detuvo momentáneamente y volvió a bajar, siguiendo una trayectoria de caída libre. 

Más tarde hicieron que ambos paquetes interfirieran. ¿Y qué encontraron? 

Pues que mientras un paquete permanecía estacionario y el otro realizaba su trayectoria de caída libre, sus respectivas funciones de onda acumulaban una diferencia en lo que se conoce como fase cuántica. 

Una fase cuántica, en términos sencillos, es una propiedad de la función de onda que indica en qué punto de su ciclo se encuentra la onda asociada al sistema cuántico. 

La fase cuántica podría representarse como dos olas de mar que poseen la misma forma y frecuencia, pero están desplazadas. Si las dos crestas de la ola –su parte más alta– coinciden se dice que está en fase; pero si la cresta de una coincide con el valle de otra, están fuera de fase. 

Y ahora: ¿Por qué hablamos de ondas si en realidad lo que describe el experimento de Penrose y sus colegas son partículas? Porque resulta que las partículas –bajo ciertas circunstancias– exhiben un comportamiento ondulatorio. 

Pero volviendo al experimento: una vez que los físicos lograron recombinar los dos paquetes de ondas que ya mencioné, se percataron, y esto es lo más relevante, de que, dentro del régimen de bajas energías explorado por el experimento, el principio de equivalencia puede extenderse de manera consistente a esta descripción cuántica, es decir, que el principio de equivalencia sí se fue observado perfectamente en los átomos de rubidio-87 que estaban super enfriados. 

La pregunta ahora es si este fenómeno puede ocurrir en otros átomos y en temperaturas menos frías. 

El problema radica en que a temperaturas más altas –donde hace más calor– la situación se complica mucho no por el hecho de que la mecánica cuántica deje de funcionar (los átomos siguen siendo cuánticos a temperatura ambiente), sino porque resulta mucho más difícil preparar y mantener una superposición como la que lograron los físicos y, posteriormente, observar la interferencia. 

Por lo tanto, reproducir experimentalmente este efecto requiere temperaturas ultrabajas, aunque el fenómeno en sí también puede ocurrir a temperatura ambiente. 

La interrogante más importante sería entonces: ¿hasta dónde podemos aumentar la masa, la complejidad y las condiciones ambientales del objeto y seguir observando este comportamiento cuántico bajo los efectos de la gravedad? 

Justamente, que los físicos avancen hacia objetos cada vez más masivos podría permitir poner a prueba ideas sobre la relación entre gravedad y mecánica cuántica, incluidas algunas propuestas por Penrose, quien en varias ocasiones ha dicho que la gravedad podría ser responsable de que las superposiciones cuánticas colapsan cuando intervienen objetos suficientemente masivos. 

En la mecánica cuántica que conocemos, un sistema puede encontrarse en una superposición de estados, es decir, una partícula podría estar simultáneamente en dos posiciones.

Desde la perspectiva macroscópica –y de hecho sucede– nunca observamos objetos macroscópicos en una superposición. Por ejemplo, una mesa no está simultáneamente en dos lugares. Esto ocurre porque la interacción inevitable con el entorno destruye muy rápidamente la posibilidad de observar la interferencia o la superposición de partículas.

Así, de acuerdo con Penrose, el propio campo gravitatorio haría inestables o difícil que se produzcan determinadas superposiciones debido a que, si un objeto y su consiguiente masa está en A y ese mismo objeto está en B, esto sería imposible en el mundo macroscópico debido a que A produce una determinada distribución gravitatoria mientras que B otra. 

La masa, y en general la materia –hay que recordarlo– determina la distribución de la gravedad. Y cada distribución, a su vez, determina cómo se curva el espacio-tiempo. Entonces, cuanto mayor sea la diferencia gravitatoria entre las dos configuraciones (entre A y B) menor tiempo podría sobrevivir una superposición. 

En otras palabras: lo que demuestra el reciente experimento es que pueden construirse interferómetros capaces de estudiar de manera extremadamente precisa superposiciones cuánticas sometidas a gravedad.

¿Cuándo podría ocurrir?

Es un tema de experimentación, por tanto, se requieren avances tecnológicos sin precedentes que puedan someter a los átomos a otras condiciones que hasta ahora no ha sido posible alcanzar.

Lo que sí parece ya una verdad incuestionable -a la luz de la experimentación– es que el principio de equivalencia de Einstein ocurre en situaciones que antes eran impensables.

Este sorprendente comportamiento de la naturaleza obliga a los científicos a replantearse la propia interacción entre el mundo cuántico y la gravedad, un asunto que actualmente se encuentra entre los grandes problemas por resolver y que, de suceder, cambiaría para siempre nuestra noción del espacio, el tiempo, la naturaleza y la realidad.

Nuevamente, casi 120 años después, una idea nacida de los experimentos mentales de Einstein ha sido puesta a prueba, pero ahora en el mundo cuántico. Su vigencia sigue sorprendiéndonos y el físico alemán parece inagotable: sus ideas continúan trascendiendo el espacio y el tiempo que él mismo ayudo a redefinir.