Hito histórico entre los físicos: la teoría de la gravedad de Albert Einstein se confirma por primera vez en el universo cuántico

Investigadores de la Universidad Ben-Gurion de Israel, la Universidad de Ulm y la Universidad de Oxford, junto al premio Nobel Roger Penrose, han  publicado en Science Advances considerado «revolucionario» en el ámbito de la física moderna al unir dos de los grandes pilares de la física moderna: la mecánica cuántica, que permite explicar el comportamiento de la materia a escala atómica, y la relatividad general, la teoría de Einstein que describe la gravedad y los fenómenos del universo a gran escala.

La importancia del trabajo reside precisamente en que permite estudiar cómo actúa la gravedad sobre un sistema que se encuentra en un estado cuántico. Hasta ahora, ambas teorías han demostrado una enorme capacidad para describir sus respectivos ámbitos, pero encontrar una conexión experimental entre ellas constituye uno de los grandes hitos de la física contemporánea. La pieza fundamental del experimento fue un dispositivo bautizado como «Interferómetro Cuántico de Galileo». Para ponerlo en funcionamiento, los científicos utilizaron átomos de rubidio enfriados hasta temperaturas próximas al cero absoluto y los colocaron sobre la superficie de un chip atómico diseñado específicamente para controlar su comportamiento.

Confirmada la teoría de la relatividad de Albert Einstein

El resultado de la investigación coincide con lo que los físicos habían previsto al aplicar el principio de equivalencia de Einstein. Esta idea fundamental de la relatividad general establece que, para un observador que se encuentra en caída libre, los efectos de la gravedad desaparecen. Es algo similar a lo que experimentaría una persona dentro de un ascensor que cae libremente: durante ese instante sentiría una sensación de ingravidez.

Aunque los sistemas cuánticos ya se habían utilizado anteriormente para realizar mediciones relacionadas con la gravedad, este estudio va más allá. Por primera vez, se ha podido demostrar que la teoría de Einstein sigue siendo válida cuando se aplica a objetos cuánticos que presentan un comportamiento ondulatorio y pueden encontrarse simultáneamente en varias trayectorias.

Para Ron Folman, de la Universidad Ben-Gurion, se trata de «una combinación única entre un experimento de gran complejidad y una interpretación teórica de largo alcance sobre una de las preguntas fundamentales de la física: cómo integrar la gravedad y la teoría cuántica en una misma descripción del universo». Por su parte, Vlatko Vedral, de la Universidad de Oxford, destacó que el experimento lleva la física cuántica «a una de sus fronteras más intrigantes, la gravedad».

Interferómetro Cuántico de Galileo

Para llevar a cabo el experimento, el equipo desarrolló lo que denomina interferómetro cuántico de Galileo. El proceso comenzó con un condensado de Bose-Einstein compuesto por unos 20.000 átomos ultrafríos de rubidio-87. Al alcanzar temperaturas extremadamente bajas, estos átomos pueden comportarse de manera colectiva, prácticamente como una única entidad cuántica.

Una vez preparada la muestra y reducidas al mínimo las interacciones entre los átomos, los investigadores situaron cada uno de ellos en una superposición de dos estados internos. A continuación, mediante una combinación de pulsos y campos magnéticos, separaron espacialmente los dos componentes de la onda cuántica. Uno de ellos recibió un impulso que lo puso en movimiento y siguió una trayectoria balística dominada esencialmente por la gravedad. El otro quedó sometido a una fuerza magnética capaz de compensar su peso, por lo que permaneció prácticamente inmóvil con respecto al dispositivo.

El siguiente paso consistió en invertir la secuencia experimental para conseguir que las dos trayectorias volvieran a coincidir tanto en posición como en movimiento. Un último pulso transformó la diferencia acumulada durante el recorrido en distintas poblaciones de átomos, que pudieron ser detectadas mediante técnicas de imagen.

La configuración permitía resolver uno de los aspectos fundamentales del experimento: disponer de una referencia vinculada al laboratorio y, por tanto, a la Tierra, frente a la que comparar directamente el comportamiento de la parte de la onda que había estado en caída libre.

Los resultados obtenidos mostraron alrededor de 13 oscilaciones, equivalentes a unos ochenta radianes de fase acumulada. El radián es una unidad utilizada para medir ángulos: una vuelta completa equivale aproximadamente a 6,28 radianes. Por tanto, 80 radianes corresponden a casi trece ciclos completos de diferencia de fase entre los dos estados.

«El principio de equivalencia, en su versión formulada por Einstein, establece que los únicos sistemas de referencia auténticamente libres de fuerzas son los que están en caída libre. Esto choca con nuestra intuición de que si estamos quietos en la superficie de la Tierra no hay ninguna fuerza actuando sobre nosotros. En realidad, la gravedad está tirando de nosotros hacia abajo, lo cual se compensa con una fuerza opuesta de reacción del suelo. Ese efecto se anula dejándose caer. Por ello, los auténticos sistemas de referencia privilegiados, en los cuales funciona estrictamente el principio de relatividad (o sea, las leyes de la física tienen la misma forma), son aquellos que están en caída libre», concluye Carlos Sabín, Profesor titular en el departamento de Física Teórica de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM), a Science Media Centre España.