Un equipo internacional de físicos ha logrado medir cómo un objeto cuántico en caída libre experimenta la gravedad, demostrando que el principio de equivalencia de la relatividad general se mantiene en el reino subatómico.
La física moderna se asienta sobre dos pilares fundamentales. Por un lado, la teoría de la relatividad general de Albert Einstein describe cómo caen los objetos y cómo la gravedad moldea la estructura del universo. Por el otro, la mecánica cuántica explica el comportamiento de las partículas a nivel subatómico.
Ambas teorías han sido contrastadas durante décadas, y sin embargo, no acaban de ser del todo compatibles, dado que la gravedad no parece funcionar de la misma forma que Einstein predijo en la escala inifinitesimal donde actúan los quarks. Una de las principales misiones de los físicos teóricos ha sido tratar de reconciliar ambos postulados en una teoría unificada que termine por completar el Modelo Estándar. A este propósito se han sumado, sin éxito, algunas de las mejores mentes de la fïsica del siglo XX y del XXI. Incluso un estudio realizado en Japón y hecho público hace unos días mostraba que algunos signos de gravedad a nivel cuántico pueden ser simplemente una ilusión.
Ahora, un equipo internacional de investigadores ha llevado a cabo un experimento pionero que explora la frontera exacta donde ambos mundos se encuentran. En un estudio publicado este miércoles en la revista Science Advances, los científicos han observado un cambio en las propiedades cuánticas de los átomos mientras caen bajo el efecto de la gravedad.
De manera crucial, el efecto que han logrado medir es exactamente el mismo que se predice cuando el principio de equivalencia de Einstein, piedra angular de su teoría gravitacional, se aplica a un objeto cuántico. Este principio establece que, para un observador en caída libre, la gravedad debería desaparecer a nivel local, generando la misma sensación de ingravidez que experimentaría alguien al caer libremente dentro de un ascensor.
Aunque esta teoría ha superado pruebas de una precisión extraordinaria con materia ordinaria a escala macroscópica, no estaba claro cómo podría probarse experimentalmente con objetos cuánticos, los cuales pueden comportarse como ondas y viajar simultáneamente por más de un camino.
En el corazón del experimento se encuentra un nuevo dispositivo que los investigadores han denominado interferómetro cuántico de Galileo. Este aparato les permitió realizar una proeza inusual: dividir efectivamente la onda cuántica asociada a un átomo en dos trayectorias, mantener una de ellas fija mientras la otra caía libremente, y luego reunirlas para observar cómo la gravedad había alterado la onda en caída.
El ensayo se llevó a cabo en la Universidad Ben-Gurion del Néguev, en Israel, utilizando nubes de átomos de rubidio enfriados justo por encima del cero absoluto y manipulados cerca de la superficie de un chip atómico diseñado especialmente para la ocasión. El equipo, que incluye al investigador predoctoral Or Dobkowski, utilizó primero pulsos de microondas para situar los átomos ultrafríos en una superposición cuántica, permitiendo que cada átomo viajara por dos caminos diferentes a la vez.
A continuación, mediante diminutos cables eléctricos integrados en el chip, generaron campos magnéticos controlados con extrema precisión. Una parte de la onda atómica respondió a este campo, permitiendo a los investigadores aplicar una fuerza ascendente que contrarrestaba exactamente el tirón descendente de la gravedad, manteniéndola estacionaria respecto al laboratorio y a la Tierra.
La otra parte de la onda fue empujada hacia arriba con un pulso magnético y luego conmutada a un estado casi inafectado por el campo para que pudiera caer libremente, siguiendo una trayectoria balística similar a la de una pelota lanzada al aire. Al final de la caída, los físicos utilizaron un nuevo pulso magnético para volver a unir ambas partes.
Cuando las dos ondas se reunieron, interfirieron entre sí. Esa interferencia permitió a los investigadores medir la minúscula diferencia de fase cuántica acumulada mientras una caía y la otra se mantenía completamente inmóvil. La fase medida en el experimento coincide de forma exacta con la que se predice al aplicar el principio de Einstein a una onda cuántica de estas características, proporcionando una conexión experimental directa entre ambos mundos.
“Se trata de un artículo único, en el sentido de que combina un experimento difícil con una interpretación teórica de gran alcance sobre una de las cuestiones más fundamentales de la física: cómo pueden unificarse la gravedad y la teoría cuántica en una sola comprensión del universo”, señala Ron Folman, autor principal del estudio e investigador de la Universidad Ben-Gurion del Néguev. Según el científico, este complejo experimento arroja nuevas pistas sobre cómo podría lograrse en el futuro dicha unificación teórica.
Por su parte, Vlatko Vedral, coautor del trabajo en el Departamento de Física de la Universidad de Oxford, subraya la resiliencia del modelo cuántico. “No tenemos ninguna teoría coherente que nos diga por qué debería fallar la física cuántica. Este experimento empuja la mecánica cuántica hacia una de sus fronteras más intrigantes, la gravedad, y demuestra que, una vez más, sus predicciones se cumplen”, concluye.
Este experimento empuja la mecánica cuántica hacia una de sus fronteras más intrigantes, la gravedad, y demuestra que, una vez más, sus predicciones se cumplen
El resultado no unifica por sí solo ambas teorías ni demuestra que la gravedad misma sea de naturaleza cuántica, pero corrobora que el principio de equivalencia de Einstein sigue siendo consistente con la mecánica cuántica en el régimen probado.
Tampoco descarta los argumentos planteados por el coautor del estudio y premio Nobel de Física, sir Roger Penrose, quien sostiene que la mecánica cuántica podría desmoronarse en objetos masivos mantenidos en superposición durante tiempos prolongados, una hipótesis que el consorcio ya planea poner a prueba con experimentos futuros utilizando nanodiamantes.
Referencia:
Ron Folman et al, “Observation of the quantum phase of free fall and the consistency with the equivalence principle”, Science Advances, 2026, DOI: 10.1126/sciadv.aec8045
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