Un experimento con átomos de rubidio confirma el principio de equivalencia de Einstein
Un equipo internacional de científicos logró observar por primera vez un efecto de la gravedad sobre un objeto cuántico en caída libre, un fenómeno previsto durante décadas, mediante un experimento que confirmó que el principio de equivalencia de Einstein continúa siendo compatible con el comportamiento de la materia en el mundo cuántico.
La investigación fue liderada por científicos de la Universidad Ben-Gurion del Negev, en Israel; la Universidad de Ulm, Alemania, y la Universidad de Oxford, Reino Unido, con la participación del profesor Sir Roger Penrose, físico y ganador del Premio Nobel. Los resultados fueron publicados en la revista Science Advances.
El experimento aborda una de las grandes interrogantes de la física moderna: cómo pueden relacionarse la mecánica cuántica, que describe el comportamiento de átomos y partículas diminutas, y la teoría de la gravedad de Einstein, que explica la caída de los objetos y la estructura gravitatoria del universo.
Los investigadores observaron un cambio específico en las propiedades cuánticas de átomos sometidos a la acción de la gravedad. La fase cuántica medida coincidió con la predicción obtenida al aplicar el principio de equivalencia de Einstein a una onda cuántica.
Este principio sostiene que, para un observador en caída libre, la gravedad debería desaparecer localmente. Aunque ha sido comprobado con gran precisión utilizando materia ordinaria, hasta ahora resultaba mucho más complejo probarlo experimentalmente con objetos cuánticos, capaces de comportarse como ondas y desplazarse simultáneamente por diferentes trayectorias.
Para superar esa dificultad, el equipo desarrolló un dispositivo denominado Interferómetro Cuántico de Galileo. El aparato permitió dividir la onda cuántica asociada a un átomo en dos trayectorias: una permaneció fija, mientras la otra cayó libremente bajo la acción de la gravedad. Posteriormente, ambas partes fueron reunidas para medir los efectos producidos durante la caída.
El experimento se realizó en la Universidad Ben-Gurion con nubes de átomos de rubidio enfriados a temperaturas ligeramente superiores al cero absoluto, manipuladas cerca de la superficie de un chip atómico diseñado especialmente para la investigación.
Mediante pulsos de microondas, los científicos generaron una superposición cuántica que permitió que cada átomo siguiera simultáneamente dos trayectorias. Después utilizaron pequeños cables eléctricos del chip para producir campos magnéticos controlados con precisión.
Una de las partes de la onda atómica recibió una fuerza ascendente capaz de contrarrestar la gravedad, manteniéndola prácticamente estacionaria respecto al laboratorio y la Tierra. La otra parte quedó libre para caer siguiendo una trayectoria balística, similar a la de una pelota lanzada al aire.
Al finalizar la caída, ambas ondas fueron reunidas mediante otro pulso magnético. La interferencia cuántica resultante permitió medir la diminuta diferencia de fase acumulada entre la parte que cayó y la que permaneció inmóvil.
El resultado coincidió con la predicción basada en el principio de equivalencia de Einstein, estableciendo así una conexión experimental entre la física cuántica y la teoría de la gravedad.
El autor principal, Ron Folman, de la Universidad Ben-Gurion del Negev, destacó que el experimento combina una prueba compleja con una interpretación teórica relacionada con uno de los problemas fundamentales de la física: la posibilidad de comprender en un mismo marco la relatividad de Einstein y la teoría cuántica.
Por su parte, Vlatko Vedral, de la Universidad de Oxford y coautor del estudio, señaló que el experimento lleva la mecánica cuántica hasta una de sus fronteras más interesantes y demuestra nuevamente que sus predicciones se mantienen.
Los investigadores aclaran, sin embargo, que el resultado no unifica la mecánica cuántica con la gravedad ni demuestra que la gravedad sea cuántica. Lo que confirma es que el principio de equivalencia de Einstein continúa siendo compatible con la mecánica cuántica dentro del régimen estudiado.
El experimento tampoco descarta la hipótesis de Penrose de que la mecánica cuántica podría dejar de ser válida para objetos suficientemente masivos mantenidos durante largos períodos en superposición cuántica. La prueba realizada no alcanzó las masas ni los tiempos necesarios para evaluar esa posibilidad.
El equipo espera utilizar la técnica desarrollada para estudiar objetos más pesados, como nanodiamantes, y explorar nuevos límites entre la física cuántica y la gravedad. Un experimento de este tipo ya se encuentra en desarrollo en el mismo grupo de la Universidad Ben-Gurion del Negev. Con datos de Europa Press.
