¿Es la gravedad realmente una fuerza cuántica?

By: AMIT MALEWAR

Explorando la gravedad cuántica, para quien oscila el péndulo.

La teoría de la relatividad general de Einstein ofrece el marco para comprender la gravedad hace aproximadamente un siglo. La teoría describía la gravedad como una curvatura del espacio-tiempo.

Pero la teoría cae cerca del centro de un agujero negro o en los primeros momentos del universo. Los físicos necesitan una imagen más real de la gravedad para describir estos extremos con precisión.

Aquí es cuando domina la mecánica cuántica, sin embargo, los físicos no han podido unir la teoría cuántica con la gravedad durante décadas.

Según los físicos, al igual que las otras fuerzas de la naturaleza, la gravedad debe tener una forma cuántica.

Un nuevo experimento podría resolver la pregunta persistente: ¿es la gravedad realmente una fuerza cuántica? El experimento, realizado por los científicos de Berkeley Lab y el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST), aprovecha dos de las propiedades más extrañas de la teoría cuántica: el principio de superposición y el entrelazamiento.

En las teorías de la gravedad cuántica , el gravitón es el hipotético cuanto de gravedad. Media la fuerza de interacción gravitacional entre dos objetos masivos. Entonces, si un gravitón realmente existe, debería conectar o entrelazar las propiedades de dos cuerpos masivos.

El experimento ofrece una forma inteligente de probar si dos cuerpos masivos pueden quedar atrapados por la gravedad.

El experimento utilizaría una nube fría de átomos atrapados dentro de un interferómetro nuclear. El interferómetro tiene dos brazos: uno izquierdo y otro derecho. El principio de superposición sugiere que, si cada átomo de la nube se encuentra en un estado cuántico puro y sin perturbaciones, tiende a representarse como una onda que ocupa ambos brazos simultáneamente. Cuando ambas porciones de la onda se recombinan una de cada brazo, producirán un patrón de interferencia que revelará cualquier progresión en sus caminos debido a fuerzas como la gravedad .

Una pequeña masa inicialmente estacionaria suspendida como un péndulo se introduce justo fuera del interferómetro. La masa suspendida y el átomo se atraen gravitacionalmente. Si ese tirón gravitacional también produce un entrelazamiento, ¿cómo se vería?

La masa suspendida se correlacionará con una ubicación específica del átomo, ya sea el brazo derecho del interferómetro o el izquierdo. Como resultado, la masa comenzará a oscilar hacia la izquierda o hacia la derecha. Si el átomo está ubicado a la izquierda, el péndulo comenzará a oscilar hacia la izquierda; si el átomo está ubicado a la derecha, el péndulo comenzará a oscilar hacia la derecha. La gravedad ha enredado la posición del átomo en el interferómetro con la dirección en la que el péndulo comienza a oscilar.

El entrelazamiento de posición significa que el péndulo ha medido efectivamente la ubicación del átomo, ubicándolo en un sitio particular dentro del interferómetro. Debido a que el átomo ya no está en una superposición de estar en ambos brazos simultáneamente, el patrón de interferencia desaparece o disminuye.

Casi medio período después, la masa oscilante pierde toda la memoria del entrelazamiento gravitacional una vez que regresa a su punto de partida. Y cuando vuelve a la posición inicial, es igualmente probable que el péndulo elija una ubicación para el átomo en el brazo izquierdo o derecho. En ese momento, el entrelazamiento entre la masa y el átomo se ha borrado y reaparece el patrón de interferencia atómica.

Medio período después, el péndulo se balancea hacia un lado o hacia el otro. Esto restablece el enredo y disminuye el patrón de interferencia nuevamente. A medida que el péndulo oscila hacia adelante y hacia atrás, el patrón se repite: interferencia, interferencia reducida, interferencia.

Daniel Carney, ahora en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, dijo:  “Este colapso y resurgimiento de la interferencia sería una“ pistola humeante ”para el enredo. Es difícil para cualquier fenómeno que no sea el entrelazamiento gravitacional producir un ciclo de este tipo “.

Jake Taylor, del Joint Quantum Institute del NIST en la Universidad de Maryland, dijo:  “Aunque el experimento ideal tal vez una década o más después de su construcción, una versión preliminar podría estar lista en unos pocos años. Se podría aprovechar una variedad de atajos para facilitar la observación. El atajo más grande es aceptar la suposición, similar a la teoría de la relatividad general de Einstein, de que no importa cuando comienzas el experimento, siempre debes obtener el mismo resultado “.

“Se deben considerar las fuentes no gravitacionales de entrelazamiento cuántico, lo que requerirá un diseño y mediciones cuidadosos para excluirlo”.