¿Cómo se observa la gravedad de Einstein dentro del mundo cuántico?

Por primera vez, un experimento ha medido directamente la fase cuántica que adquiere un objeto en caída libre y ha comprobado que coincide con la predicción que se obtiene al trasladar el principio de equivalencia de Albert Einstein al terreno cuántico. El resultado, publicado en Science Advances, ofrece una de esas raras imágenes en las que dos grandes teorías de la física, habitualmente separadas por una frontera incómoda, aparecen en la misma fotografía experimental.

El trabajo se realizó con átomos de rubidio ultrafríos, preparados para comportarse como ondas cuánticas y recorrer dos trayectorias distintas. Una parte de la función de onda se mantuvo prácticamente inmóvil mediante campos magnéticos; la otra quedó en caída libre bajo la gravedad terrestre. Al reunirlas de nuevo, los investigadores pudieron leer en su interferencia una diferencia diminuta: la huella cuántica de esa caída. Y la huella encajó con Einstein.

No significa que la física haya encontrado por fin una teoría cuántica de la gravedad. Ni mucho menos. Significa algo más preciso y, científicamente, bastante más interesante: la mecánica cuántica y el principio de equivalencia siguen siendo compatibles allí donde el nuevo experimento ha podido ponerlos frente a frente.

Qué se ha observado exactamente

La gravedad lleva décadas apareciendo en experimentos cuánticos. Los físicos han utilizado átomos, neutrones y otras partículas para medir su aceleración o estudiar cómo modifica su comportamiento. La novedad de este trabajo está en otra parte: el equipo afirma haber observado directamente la fase cuántica asociada a la caída libre, que era justamente la magnitud que permitía realizar una prueba especialmente limpia del principio de equivalencia.

La fase es una propiedad de una onda. No es algo que pueda verse como se ve caer una pelota desde una ventana; aparece cuando dos ondas vuelven a encontrarse y se comparan. Puede imaginarse como dos relojes idénticos que parten juntos, siguen caminos distintos y después regresan al mismo lugar: aunque sus agujas parezcan haber avanzado casi igual, una comparación extraordinariamente precisa revela una pequeña diferencia.

Eso es, salvando distancias, lo que hicieron los investigadores con ondas de materia.

El resultado fue compatible con la predicción teórica. La fase acumulada durante la caída libre respondió como debía hacerlo si el principio de equivalencia de Einstein continúa siendo válido en ese régimen cuántico. Einstein, por tanto, vuelve a salir del laboratorio sin una mancha importante en el expediente. De momento.

El experimento: un Galileo cuántico

El dispositivo utilizado ha recibido un nombre deliberadamente histórico: Interferómetro Cuántico de Galileo, o Quantum Galileo Interferometer. Galileo estudió cómo caen los cuerpos; más de cuatro siglos después, el asunto se ha trasladado a átomos enfriados casi hasta el cero absoluto y manipulados sobre un chip.

El experimento se llevó a cabo en la Universidad Ben-Gurion del Néguev, en Israel. Los investigadores emplearon nubes de átomos de rubidio ultrafríos situadas cerca de la superficie de un chip atómico especialmente diseñado. A temperaturas tan bajas, el movimiento térmico disminuye drásticamente y los científicos pueden controlar con enorme precisión las propiedades cuánticas de los átomos.

Mediante pulsos de microondas prepararon los átomos en una superposición cuántica. Dicho de manera menos intimidante: la función de onda asociada a cada átomo podía evolucionar simultáneamente por dos caminos.

Una onda quieta y otra en caída libre

Después llegó la parte ingeniosa. Pequeños conductores integrados en el chip generaron campos magnéticos extremadamente controlados. Una de las componentes de la onda atómica quedó sometida a una fuerza ascendente que compensaba el tirón de la gravedad, de modo que permanecía prácticamente quieta con respecto al laboratorio.

La otra componente recibió primero un impulso y después pasó a un estado apenas afectado por el campo magnético. Quedó libre para describir una trayectoria balística bajo la gravedad terrestre, algo parecido a lo que hace una pelota lanzada hacia arriba antes de volver a caer, solo que aquí hablamos de una onda cuántica y de distancias minúsculas.

Después, las dos partes fueron reunidas.

La señal estaba en la fase

Cuando dos ondas cuánticas vuelven a superponerse producen un patrón de interferencia. Ese patrón contiene información sobre lo ocurrido durante sus respectivos recorridos. Una había permanecido sostenida frente a la gravedad; la otra había experimentado caída libre.

La diferencia observada en su fase coincidió con la que predice la teoría cuando se aplica el principio de equivalencia al sistema. Ahí está el núcleo del hallazgo. No en comprobar simplemente que los átomos caen —eso estaba más que sabido—, sino en observar cómo queda escrita la caída en la fase de una onda cuántica.

Por qué el principio de equivalencia importa aquí

El principio de equivalencia está en los cimientos de la relatividad general. En su versión más intuitiva sostiene que un observador situado dentro de un sistema en caída libre no distingue localmente los efectos de la gravedad. El ejemplo clásico es un ascensor que cae: durante la caída, una persona situada dentro experimentaría ingravidez respecto al propio ascensor.

Einstein llevó esa intuición mucho más lejos. La gravedad dejó de entenderse simplemente como una fuerza que tira de las cosas y pasó a describirse mediante la geometría del espacio-tiempo. Los cuerpos siguen las trayectorias determinadas por esa geometría.

El problema aparece cuando bajamos a la escala cuántica. Allí un objeto no siempre tiene una posición o una trayectoria definida en el sentido cotidiano. Puede comportarse como una onda, permanecer en superposición y generar interferencias. El viejo ascensor de Einstein empieza, metafóricamente, a ponerse bastante raro.

Durante décadas, el principio de equivalencia ha superado pruebas de enorme precisión con sistemas macroscópicos y también se han realizado numerosos experimentos gravitatorios con objetos cuánticos. Lo que faltaba era una medición concebida específicamente para comparar la fase de una onda en caída libre con otra mantenida en reposo y confrontarla con la predicción correspondiente.

Eso es lo que aporta el nuevo trabajo.

Lo que el experimento no demuestra

Aquí conviene quitar varias capas de entusiasmo antes de que el titular termine haciendo levitar al lector. El experimento no demuestra que la gravedad sea cuántica. Tampoco descubre el gravitón, no confirma una teoría de gravedad cuántica y, desde luego, no ha reconciliado definitivamente la relatividad general con la mecánica cuántica.

La dificultad fundamental continúa intacta. La relatividad general describe la gravedad mediante un espacio-tiempo dinámico y continuo; la mecánica cuántica gobierna partículas y campos mediante reglas probabilísticas, superposiciones y estados cuánticos. Ambas funcionan de manera espectacular en sus respectivos dominios, pero construir un único marco fundamental que las contenga sigue siendo uno de los grandes problemas de la física.

El nuevo resultado ocupa una posición más modesta, aunque muy valiosa: demuestra que no aparece una incompatibilidad en el régimen experimental estudiado. La formulación cuántica utilizada y el principio de equivalencia producen la misma fase que después se observa en el laboratorio.

Es una pieza del puzle, no el puzle terminado.

La distinción importa porque expresiones como “Einstein entra en el mundo cuántico” pueden hacer pensar que se ha encontrado la célebre teoría del todo. No ha ocurrido. Lo que hay es una nueva prueba experimental precisamente en la frontera donde resulta interesante buscar posibles grietas.

La próxima prueba: objetos más pesados

El trabajo tiene otro protagonista llamativo: Roger Penrose, premio Nobel de Física y uno de los coautores. Penrose lleva décadas planteando que podría existir un límite profundo para las superposiciones cuánticas cuando intervienen objetos suficientemente masivos y la gravedad deja de poder ser tratada como un simple convidado.

Según estas propuestas, mantener objetos cada vez más pesados en estados de superposición durante periodos suficientemente largos podría revelar una ruptura de la mecánica cuántica convencional o algún mecanismo nuevo vinculado a la gravedad.

El experimento con rubidio no alcanza ni las masas ni los tiempos necesarios para poner directamente a prueba esa hipótesis. Los propios investigadores lo dejan claro. Pero el interferómetro desarrollado puede servir de peldaño hacia sistemas mayores y más ambiciosos.

Una de las siguientes metas son los nanodiamantes, diminutos cristales que, pese a su escala microscópica, contienen muchos más átomos que los utilizados en experimentos de interferometría atómica convencional. El grupo de la Universidad Ben-Gurion trabaja precisamente en esa dirección.

La cuestión cambia entonces de tamaño, en sentido literal: hasta dónde puede seguir comportándose un objeto de acuerdo con las reglas cuánticas mientras la gravedad gana peso. Allí podría aparecer una desviación. O quizá no aparezca ninguna, que también sería un resultado formidable y otro quebradero de cabeza para los teóricos.

Einstein resiste en una frontera cada vez más pequeña

Más de un siglo después de la relatividad general, el principio de equivalencia continúa atravesando pruebas cada vez más extravagantes. Primero planetas, estrellas, relojes atómicos y satélites; ahora ondas de átomos ultrafríos divididas, sostenidas y dejadas caer sobre un chip.

El nuevo experimento es importante precisamente porque no necesita anunciar una revolución para tener valor. Ha llevado una predicción vinculada a Einstein hasta un régimen inequívocamente cuántico y ha encontrado el comportamiento esperado. La fase de la onda en caída libre estaba donde debía estar.

La naturaleza, al menos en esta escala, no parece obligarnos todavía a elegir entre Einstein y la mecánica cuántica. Ambos marcos siguen funcionando en el territorio examinado, aunque todavía no sepamos por qué encajan en profundidad ni cómo construir una teoría que los reúna sin costuras.

Esa sigue siendo la verdadera frontera. Y, como suele ocurrir en física, cuanto más preciso es el experimento, más incómodo se vuelve el misterio.