Una medición inédita sobre un átomo ultrafrío puso en juego dos marcos difíciles de conciliar y abrió un nuevo umbral experimental
Un equipo de científicos de Israel, Alemania y Oxford logró la primera observación de un efecto de la gravedad sobre un objeto cuántico en caída libre compatible con el principio de equivalencia de Einstein, un resultado que acerca a prueba experimental una de las fronteras más discutidas de la física: cómo conviven la relatividad general y la mecánica cuántica cuando deben describir un mismo sistema.
El estudio, publicado en Science Advances, no propone una teoría unificada de gravedad cuántica ni resuelve la tensión histórica entre ambos marcos. Su aporte consiste en mostrar, con un experimento directo, que en el régimen analizado las predicciones cuánticas y uno de los pilares de la teoría de Einstein siguen siendo compatibles.
La investigación fue encabezada por la Universidad Ben-Gurión del Néguev, la Universidad de Ulm y la Universidad de Oxford. Entre los autores figura Roger Penrose, ganador del Premio Nobel de Física en 2020.
El experimento midió cómo cambia la fase cuántica de un átomo que cae libremente
El trabajo se concentró en una magnitud central de la física cuántica: la fase de una onda cuántica. Los investigadores buscaron medir cómo cambia esa fase cuando un átomo cae bajo la acción de la gravedad y compararla con la de otro estado del mismo sistema que permanece inmóvil mediante fuerzas magnéticas.
Para hacerlo, el equipo construyó un dispositivo llamado Interferómetro Cuántico de Galileo. El aparato dividió la onda cuántica asociada a un átomo en dos trayectorias: una quedó suspendida respecto del laboratorio y la otra siguió una caída libre.
El experimento se realizó con nubes de átomos de rubidio enfriados a una temperatura apenas superior al cero absoluto y manipulados sobre un chip atómico diseñado para ese fin. En esas condiciones, el sistema pudo ser controlado con precisión suficiente para registrar diferencias minúsculas entre ambas trayectorias.
El principio de equivalencia sostiene que un observador en caída libre no puede distinguir localmente los efectos de la gravedad. En la relatividad general, esa idea explica por qué una persona dentro de un ascensor que cae sentiría una forma de ingravidez durante el movimiento.
Durante décadas, ese principio fue comprobado con gran precisión en objetos macroscópicos y materia ordinaria. La dificultad aparecía al trasladarlo al dominio cuántico, donde las partículas no se comportan solo como cuerpos puntuales, sino también como ondas capaces de recorrer más de una trayectoria al mismo tiempo.
La prueba comparó una rama suspendida y otra en trayectoria balística
Los científicos utilizaron primero pulsos de microondas para llevar los átomos ultrafríos a un estado de superposición cuántica. Esa preparación hizo posible que cada átomo quedara asociado al mismo tiempo a dos trayectorias distintas.
Luego, mediante cables microscópicos integrados en el chip atómico, generaron campos magnéticos controlados con precisión. Una porción de la onda atómica respondió a esos campos de manera tal que recibió una fuerza ascendente equivalente al tirón gravitatorio y permaneció casi estacionaria respecto de la Tierra.
La otra porción fue impulsada hacia arriba con un pulso magnético y después colocada en un estado casi insensible al campo. Eso le permitió moverse libremente y caer bajo la gravedad en una trayectoria balística.
Al final del proceso, un nuevo pulso recombinó ambas ramas de la onda. Cuando volvieron a superponerse, la interferencia entre las dos reveló una diferencia de fase cuántica extremadamente pequeña, el dato central que buscaba la experiencia.
Según los autores, el valor medido coincide con el esperado al aplicar el principio de equivalencia a ese sistema. El resultado no corrige la relatividad general, pero refuerza su consistencia cuando se la confronta con un objeto gobernado por reglas cuánticas.
Ron Folman, autor principal e investigador de la Universidad Ben-Gurión del Néguev, sostuvo que el trabajo combina un experimento exigente con una interpretación teórica sobre una de las preguntas centrales de la disciplina: cómo integrar la gravedad descrita por Einstein con la teoría cuántica en una comprensión común del universo.
En la misma línea, Vlatko Vedral, coautor del Departamento de Física de la Universidad de Oxford, señaló que no existe una teoría consistente que indique por qué la física cuántica debería fallar en ese dominio y que el experimento lleva esas predicciones a una de sus fronteras más debatidas.
El próximo paso apunta a objetos más pesados, incluidos nanodiamantes
El estudio tampoco establece que la gravedad sea por sí misma un fenómeno cuántico. Lo que aporta, según la publicación, es una conexión experimental en un terreno donde hasta ahora predominaban las formulaciones teóricas y las comprobaciones indirectas.
Ese matiz también delimita el alcance del hallazgo frente a una expectativa frecuente en la difusión de este tipo de trabajos: no se trata de la llamada “teoría del todo”. Su valor está en acotar con datos medibles qué partes de ambas descripciones continúan funcionando cuando se las lleva a una frontera común.
Uno de los desarrollos que el equipo considera hacia adelante se vincula con una hipótesis defendida desde hace años por Roger Penrose. El físico británico propuso que la mecánica cuántica podría dejar de ser válida para objetos suficientemente masivos mantenidos en superposición durante tiempos prolongados.
El experimento actual no alcanzó esas masas ni esas escalas temporales, por lo que no prueba de forma directa esa idea. Pero los autores afirman que la técnica desarrollada puede abrir el camino hacia ese terreno y que ya está en marcha un programa experimental con objetos más pesados, entre ellos nanodiamantes.
Ese siguiente paso dejaría a la plataforma en una posición doble: por un lado, ya permitió un resultado puntual y medible sobre la relación entre caída libre y fase cuántica; por otro, puede servir para explorar si aparecen límites en el comportamiento cuántico cuando aumenta la masa del sistema.
