Cuando se trata de un matrimonio con la teoría cuántica, la gravedad es el único obstáculo entre las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza. Los otros tres:la fuerza electromagnética, la fuerza débil, que es responsable de la desintegración radiactiva, y la fuerza fuerte, que une neutrones y protones dentro del núcleo atómico, todos se han fusionado con la teoría cuántica para describir con éxito el universo en la más pequeña de las escalas, donde las leyes de la mecánica cuántica deben jugar un papel protagónico.

Aunque la teoría de la relatividad general de Einstein, que describe la gravedad como una curvatura del espacio-tiempo, explica una multitud de fenómenos gravitacionales, falla dentro del más pequeño de los volúmenes:el centro de un agujero negro o el universo en su nacimiento explosivo, cuando tenía un tamaño menor que un diámetro atómico. Ahí es donde debería dominar la mecánica cuántica.

Sin embargo, durante las últimas ocho décadas, experto tras experto, incluido Einstein, han sido incapaces de unir la teoría cuántica con la gravedad. Entonces, ¿Es la gravedad realmente una fuerza cuántica?

Investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) y sus colegas ahora han propuesto un experimento que puede ayudar a resolver la cuestión.

El experimento aprovecha dos de las propiedades más extrañas de la teoría cuántica. Uno es el principio de superposición, que sostiene que una partícula atómica no perturbada puede describirse como una onda, con alguna probabilidad de estar en dos lugares a la vez. Por ejemplo, un átomo inalterado que viaja a través de una región con dos rendijas, pasa no a través de una u otra de las rendijas, sino de ambas.

Y debido a que el átomo está descrito por una onda, la parte que pasa por una hendidura interferirá con la parte que pasa por la otra, produciendo un patrón bien conocido de franjas brillantes y oscuras. Las franjas brillantes corresponden a regiones donde las colinas y los valles de las dos olas se alinean para que se sumen, creando interferencia constructiva y las regiones oscuras corresponden a regiones donde las colinas y los valles de las olas se cancelan cada uno, creando interferencia destructiva.

La segunda propiedad cuántica extraña se conoce como entrelazamiento, un fenómeno en el que dos partículas pueden estar tan fuertemente correlacionadas que se comportan como una sola entidad. Medir una propiedad de una de las partículas obliga automáticamente a la otra a tener una propiedad complementaria, incluso si las dos partículas residen en galaxias separadas.

En una teoría cuántica de la gravedad, la atracción gravitacional entre dos objetos masivos sería comunicada por una partícula subatómica hipotética, el gravitón, de la misma manera que la interacción electromagnética entre dos partículas cargadas es comunicada por un fotón (la partícula fundamental de la luz). Entonces, si realmente existe un gravitón, debería poder conectarse, o enredar, las propiedades de dos cuerpos masivos, al igual que un fotón puede entrelazar las propiedades de dos partículas cargadas

El experimento propuesto por Jake Taylor del Joint Quantum Institute del NIST en la Universidad de Maryland, junto con Daniel Carney, ahora en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, y Holger Müller de la Universidad de California, Berkeley, proporciona una forma inteligente de probar si dos cuerpos masivos pueden quedar atrapados por la gravedad. Describieron su trabajo en un artículo publicado en línea en Physical Review X Quantum el 18 de agosto. 2021.

El experimento usaría una nube fría de átomos, atrapado dentro de un interferómetro atómico. El interferómetro tiene dos brazos:uno izquierdo y otro derecho. Según el principio de superposición, si cada átomo de la nube es puro, estado cuántico inalterado, se puede describir como una ola que ocupa ambos brazos simultáneamente. Cuando las dos porciones de la ola, uno de cada brazo, recombinar, producirán un patrón de interferencia que revela cualquier cambio en sus trayectorias debido a fuerzas como la gravedad.

Un pequeño La 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 entrelazamiento, ¿Como se veria eso?

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 se encuentra a la izquierda, el péndulo comenzará a oscilar hacia la izquierda; si el átomo se encuentra 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, indicándolo a un sitio particular dentro del interferómetro. Debido a que el átomo ya no está en una superposición de estar en ambos brazos al mismo tiempo, el patrón de interferencia desaparece o disminuye.

Medio período después cuando la masa oscilante vuelve a su punto de partida, pierde toda la "memoria" del enredo gravitacional que había creado. Esto se debe a que, independientemente de la trayectoria que tomó el péndulo, inicialmente girando hacia la derecha, que selecciona una ubicación para el átomo en el brazo derecho del interferómetro, o inicialmente balanceándose hacia la izquierda, que selecciona una ubicación para el átomo en el brazo izquierdo, vuelve a la misma posición inicial, como un niño en un columpio.

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 de eso, mientras el péndulo se balancea hacia un lado o hacia el otro, el entrelazamiento se restablece y el patrón de interferencia disminuye una vez más. A medida que el péndulo oscila hacia adelante y hacia atrás, el patrón se repite:interferencia, interferencia disminuida, interferencia. Este colapso y resurgimiento de la interferencia, los científicos dicen, sería una "pistola humeante" para el enredo.

"Es difícil para cualquier fenómeno que no sea el entrelazamiento gravitacional producir un ciclo de este tipo, "dijo Carney.

Aunque el experimento ideal puede tardar una década o más en construirse, una versión preliminar podría estar lista en unos pocos años. Se podría aprovechar una variedad de atajos para facilitar la observación, Taylor dijo. El mayor atajo es aceptar la suposición, similar a la teoría de la relatividad general de Einstein, que no importa cuando empiece el experimento, siempre debería obtener el mismo resultado.

Taylor señaló que se deben considerar las fuentes no gravitacionales de entrelazamiento cuántico, lo que requerirá un diseño y medidas cuidadosos para excluir.