La gravedad es parte de nuestra vida cotidiana. Aun así, la fuerza gravitacional sigue siendo un misterio:hasta el día de hoy no entendemos si su naturaleza última es geométrica, como previó Einstein, o se rige por las leyes de la mecánica cuántica.
Hasta ahora, todas las propuestas experimentales para responder a esta pregunta se han basado en la creación del fenómeno cuántico del entrelazamiento entre masas macroscópicas pesadas. Pero cuanto más pesado es un objeto, más tiende a deshacerse de sus características cuánticas y volverse "clásico", lo que hace que sea increíblemente difícil hacer que una masa pesada se comporte como una partícula cuántica
En un estudio publicado en Physical Review X Esta semana, investigadores de Ámsterdam y Ulm proponen un experimento que soluciona estos problemas.
Combinar con éxito la mecánica cuántica y la física gravitacional es uno de los principales desafíos de la ciencia moderna. En términos generales, el progreso en esta área se ve obstaculizado por el hecho de que todavía no podemos realizar experimentos en regímenes en los que tanto los efectos cuánticos como los gravitacionales sean relevantes.
En un nivel más fundamental, como dijo una vez el premio Nobel Roger Penrose, ni siquiera sabemos si una teoría combinada de la gravedad y la mecánica cuántica requerirá una "cuantización de la gravedad" o una "gravitización de la mecánica cuántica".>
En otras palabras:¿es la gravedad fundamentalmente una fuerza cuántica, cuyas propiedades se determinan en las escalas más pequeñas posibles, o es una fuerza "clásica" para la que basta una descripción geométrica a gran escala? ¿O es algo diferente todavía?
Siempre ha parecido que para responder a estas preguntas, el fenómeno típicamente cuántico del entrelazamiento desempeñaría un papel central. Ludovico Lami, físico matemático de la Universidad de Amsterdam y QuSoft, dice:"La cuestión central, planteada inicialmente por Richard Feynman en 1957, es comprender si el campo gravitacional de un objeto masivo puede entrar en la llamada superposición cuántica, donde estaría en varios estados al mismo tiempo.
"Antes de nuestro trabajo, la idea principal para decidir esta cuestión experimentalmente era buscar un entrelazamiento inducido gravitacionalmente, una forma en la que masas distantes pero relacionadas podrían compartir información cuántica. La existencia de tal entrelazamiento falsificaría la hipótesis de que el campo gravitacional es puramente local y clásico."
El principal problema de las propuestas anteriores es que crear objetos masivos distantes pero relacionados, conocidos como estados deslocalizados, es muy difícil. El objeto más pesado en el que se ha observado deslocalización cuántica hasta la fecha es una molécula grande, mucho más ligera que la masa fuente más pequeña cuyo campo gravitacional se haya detectado, que está justo por debajo de los 100 mg, más de mil billones de veces más pesada. Esto ha alejado décadas cualquier esperanza de una realización experimental.
En el nuevo trabajo, Lami y sus colegas de Ámsterdam y Ulm (curiosamente el lugar donde nació Einstein) presentan una posible salida a este punto muerto. Proponen un experimento que revelaría la cuántica de la gravedad sin generar ningún entrelazamiento.
Lami explica:"Diseñamos e investigamos una clase de experimentos que involucran un sistema de 'osciladores armónicos' masivos, por ejemplo, un péndulo de torsión, esencialmente como el que Cavendish usó en su famoso experimento de 1797 para medir la intensidad de la fuerza gravitacional. establecer límites matemáticamente rigurosos en ciertas señales experimentales para la cuántica que una gravedad clásica local no debería poder superar.
"Hemos analizado cuidadosamente los requisitos experimentales necesarios para implementar nuestra propuesta en un experimento real y descubrimos que, aunque todavía se necesita cierto grado de progreso tecnológico, dichos experimentos podrían estar realmente a nuestro alcance pronto."
Sorprendentemente, para analizar el experimento, los investigadores todavía necesitan la maquinaria matemática de la teoría del entrelazamiento en la ciencia de la información cuántica. ¿Cómo es eso posible? Según Lami, "La razón es que, aunque el entrelazamiento no existe físicamente, todavía está allí en espíritu, en un sentido matemático preciso. Es suficiente que el entrelazamiento pudiera haberse generado".
Los investigadores esperan que su artículo sea sólo el comienzo y que su propuesta ayude a diseñar experimentos que puedan responder a la pregunta fundamental sobre la cuántica de la gravedad mucho antes de lo esperado.
Más información: Ludovico Lami et al, Prueba de la cuántica de la gravedad sin entrelazamiento, Revisión física X (2024). DOI:10.1103/PhysRevX.14.021022
Información de la revista: Revisión física X
Proporcionado por la Universidad de Ámsterdam
