Átomos en caída libre revelan la fase cuántica de la gravedad predicha por Einstein

Un equipo dirigido por Ron Folman midió directamente un cambio de fase cuántica producido por la gravedad terrestre en átomos ultrafríos de rubidio. Con el Interferómetro Cuántico Galileo compararon dos trayectorias coherentes de una misma onda atómica: una permaneció casi inmóvil gracias a un campo magnético y la otra fue lanzada hacia arriba antes de caer libremente. Al reunir ambas trayectorias, la señal de interferencia coincidió con la fase esperada a partir del principio de equivalencia de Einstein, en las condiciones examinadas. 24

Qué midieron exactamente

Las partículas cuánticas también se describen como ondas. A medida que una onda evoluciona, acumula una fase, una propiedad que no suele poder observarse de manera aislada. Sin embargo, cuando dos partes coherentes de esa onda vuelven a unirse, la diferencia entre sus fases modifica el patrón de interferencia y se vuelve medible.

En este experimento, pulsos de microondas crearon una superposición de dos historias posibles para los átomos cerca de un chip atómico. Los campos magnéticos contrarrestaron la gravedad en una de las ramas, mientras que la otra siguió una trayectoria balística: ascendió y luego cayó libremente. Al recombinarlas, los investigadores transformaron la diferencia de fase gravitatoria en una señal de interferencia detectable. 24

El resultado central es que el desplazamiento de fase observado fue compatible, dentro de la precisión del experimento, con la predicción basada en el principio de equivalencia. Este principio conecta localmente la caída libre con la gravedad en la teoría de Einstein. 24

Por qué es una prueba relevante

No se trata solo de registrar la trayectoria clásica de un objeto que cae. La prueba se realizó en un interferómetro, donde el objeto relevante es una onda de materia cuántica coherente que sigue dos caminos alternativos a la vez.

Por tanto, el experimento muestra que, para átomos ultrafríos de rubidio sometidos al débil campo gravitatorio de la Tierra, la evolución cuántica medida concuerda con la predicción del principio de equivalencia. 24

Es un puente experimental útil entre dos marcos que a menudo se presentan como difíciles de reconciliar: la mecánica cuántica describe la superposición y la interferencia del átomo, mientras que la gravedad aporta la diferencia de fase asociada a los dos recorridos.

Lo que el estudio no demuestra

El hallazgo no debe interpretarse como una unificación entre la mecánica cuántica y la relatividad general. Tampoco demuestra que la gravedad esté cuantizada, detecta gravitones ni permite decidir de forma concluyente si la gravedad es fundamentalmente cuántica o clásica. 23

Una vía más directa para investigar el carácter cuántico de la gravedad sería demostrar que puede generar entrelazamiento entre objetos masivos suficientemente aislados. Hay propuestas para crear superposiciones espaciales de cristales de escala micrométrica —posiblemente nanodiamantes con sistemas de espín incorporados— y comprobar después si su interacción gravitatoria mutua produce entrelazamiento. 34

Dónde encaja la hipótesis de colapso de Roger Penrose

Roger Penrose ha planteado otra posibilidad: un objeto con suficiente masa situado en una superposición espacial correspondería a geometrías alternativas del espacio-tiempo que no podrían mantener la coherencia indefinidamente. En los modelos relacionados de Diósi-Penrose, el tiempo esperado de decaimiento se vincula a la diferencia de autoenergía gravitatoria entre las distribuciones de masa superpuestas. 36

Se trata de una hipótesis sobre un posible límite de la mecánica cuántica estándar, no de una conclusión del experimento con rubidio. Un átomo individual no es el tipo de sistema masivo y espacialmente separado en el que estos modelos deberían poder probarse con mayor facilidad.

Por qué los objetos cuánticos más pesados son la siguiente frontera

Las pruebas de modelos de colapso buscan crear superposiciones espaciales de objetos mucho más masivos que un átomo individual y detectar una pérdida de coherencia que no pueda explicarse por el ruido ambiental ordinario. Las revisiones de estos experimentos identifican las superposiciones espaciales de objetos masivos como la estrategia más directa, porque dichos modelos pueden prohibir superposiciones que la teoría cuántica convencional sí permite. 33

Los futuros interferómetros con partículas mesoscópicas —como nanodiamantes levitados u otros cristales pequeños— deberán mantener la coherencia mientras controlan estrictamente la decoherencia causada por el entorno. Si esos sistemas conservaran la interferencia más allá del tiempo de decaimiento previsto por un modelo, el modelo quedaría más restringido. Si, en cambio, mostraran una pérdida adicional de coherencia reproducible y dependiente de la masa, la separación y el tiempo tal como se predice, sería una señal que merecería investigación; aun así, habría que descartar el ruido experimental y otras explicaciones no gravitatorias. 333436

Por ahora, la conclusión precisa es más acotada: en el régimen probado, una onda de materia cuántica en caída libre acumuló la fase gravitatoria prevista por el principio de equivalencia de Einstein. 24