Uno de los desafíos fundamentales de la física es la reconciliación de la teoría de la relatividad de Einstein y la mecánica cuántica. Surge la necesidad de cuestionar críticamente estos dos pilares de la física moderna, por ejemplo, de eventos de energía extremadamente alta en el cosmos, que hasta ahora solo puede ser explicado por una teoría a la vez, pero no ambas teorías en armonía. Por lo tanto, investigadores de todo el mundo están buscando desviaciones de las leyes de la mecánica cuántica y la relatividad que podrían abrir nuevas perspectivas en un nuevo campo de la física.

Para una publicación reciente, Científicos de la Universidad Leibniz de Hannover y la Universidad de Ulm han asumido la paradoja de los gemelos conocida por la teoría especial de la relatividad de Einstein. Este experimento mental gira en torno a un par de gemelos:mientras un hermano viaja al espacio, el otro permanece en la Tierra. Como consecuencia, durante un cierto período de tiempo, los gemelos se mueven en diferentes órbitas en el espacio. El resultado cuando la pareja se reencuentra es bastante asombroso:el gemelo que ha estado viajando por el espacio ha envejecido mucho menos que su hermano que se quedó en casa. Este fenómeno se explica por la descripción de Einstein de la dilatación del tiempo:Dependiendo de la velocidad y en qué lugar del campo gravitacional se mueven dos relojes entre sí, marcan a diferentes velocidades.

Para la publicación en Avances de la ciencia , los autores asumieron una variante de la mecánica cuántica de la paradoja de los gemelos con un solo gemelo. Gracias al principio de superposición de la mecánica cuántica, este gemelo puede moverse por dos caminos al mismo tiempo. En el experimento mental de los investigadores, el gemelo está representado por un reloj atómico. Estos relojes utilizan las propiedades cuánticas de los átomos para medir el tiempo con alta precisión. El reloj atómico en sí mismo es, por lo tanto, un objeto mecánico cuántico y puede moverse a través del espacio-tiempo en dos caminos simultáneamente debido al principio de superposición. Junto con colegas de Hannover, hemos investigado cómo se puede realizar esta situación en un experimento, "explica el Dr. Enno Giese, asistente de investigación en el Instituto de Física Cuántica de Ulm. Para tal fin, los investigadores han desarrollado una configuración experimental para este escenario sobre la base de un modelo físico cuántico.

Una fuente atómica de 10 metros de altura, que se está construyendo actualmente en la Universidad Leibniz de Hannover, juega un papel fundamental en este empeño. En este interferómetro atómico y con el uso de objetos cuánticos como el reloj atómico, los investigadores pueden probar los efectos relativistas, incluida la dilatación del tiempo descrita en la paradoja de los gemelos. "En un experimento, enviaríamos un reloj atómico al interferómetro. La pregunta crucial es entonces:¿En qué condiciones se puede medir una diferencia de tiempo después del experimento, durante el cual el reloj está simultáneamente en dos órbitas después de todo, "explica Sina Loriani del Instituto de Óptica Cuántica de la Universidad Leibniz de Hannover.

El trabajo preliminar teórico de los físicos de Ulm y Hannover es muy prometedor:como se describe, han desarrollado un modelo físico-cuántico para el interferómetro atómico, que influye en la interacción entre láseres y átomos, así como el movimiento de los átomos, al mismo tiempo que se tienen en cuenta las correcciones relativistas. "Con la ayuda de este modelo, podemos describir un reloj atómico "tic-tac" que se mueve simultáneamente a lo largo de dos caminos en una superposición espacial. Es más, demostramos que un interferómetro atómico, como el que se está construyendo en Hannover, puede medir el efecto de la dilatación del tiempo relativista especial en un reloj atómico, "resume Alexander Friedrich, investigador de doctorado en el Instituto de Física Cuántica de Ulm. Basado en sus consideraciones teóricas, los investigadores ya pueden suponer que un solo reloj atómico se comporta como se predice en la paradoja de los gemelos:la teoría de la relatividad y la mecánica cuántica son, por lo tanto, realmente reconciliables en este escenario. La influencia de la gravedad asumida por otros grupos, sin embargo, no parece verificable en una propuesta experimental de este tipo.

Se prevé que el experimento descrito teóricamente se pondrá a prueba en el nuevo interferómetro atómico de Hannover dentro de unos años. En la práctica, Los hallazgos de los científicos podrían ayudar a mejorar las aplicaciones basadas en interferómetros atómicos como la navegación, o mediciones de aceleración y rotación.