Una visualización de cómo la Tierra crea una curvatura en el espacio-tiempo, de acuerdo con la teoría de la relatividad general. ¿Pero dónde encaja el reino cuántico en todo esto? (Crédito de la imagen: NASA)
Un nuevo descubrimiento sugiere que los campos gravitatorios pueden permitir que la materia se entrelace cuánticamente, incluso sin que exista el concepto de gravedad cuántica. La idea proviene de dos físicos londinenses que están desafiando nuestra concepción de los campos cuánticos y el funcionamiento de la gravedad clásica.
La búsqueda de la gravedad cuántica representa el siguiente gran paso en la física, ya que los investigadores buscan unificar la física de lo infinitamente pequeño con la de lo infinitamente grande. La mecánica cuántica explica lo primero, mientras que la teoría de la relatividad general —que describe de forma magistral el funcionamiento de la gravedad— explica lo segundo. Tanto la física cuántica como la teoría de la relatividad general surgieron durante el primer cuarto del siglo XX, pero cien años después, los científicos aún desconocen cómo unificarlas. Actualmente, las teorías se contradicen entre sí.
De hecho, los nuevos hallazgos de Joseph Aziz y Richard Howl, del Royal Holloway, Universidad de Londres, podrían sin duda complicar las cosas. Su trabajo se basa en un experimento mental propuesto por primera vez por el famoso físico Richard Feynman en 1957, que consistiría en colocar un objeto —por ejemplo, una manzana— en superposición cuántica.
Para comprender la superposición, piense en las propiedades que conforman el estado cuántico de una partícula, como su posición, momento, carga o espín cuántico. El valor de cada una de estas propiedades es probabilístico, y esta distribución de probabilidades se describe mediante una onda, cuyo pico representa la mayor probabilidad. La superposición se manifiesta cuando las funciones de onda para diferentes resultados se superponen.
El experimento mental de Feynman situaría la posición de esa hipotética manzana en superposición; es decir, existiría simultáneamente en dos lugares hasta ser observada. Una vez observada, su función de onda colapsaría. A continuación, se introduciría una segunda manzana en el experimento de Feynman, y si la primera manzana en superposición cuántica interactuara gravitatoriamente con el segundo objeto, incluso después de colapsar su estado de superposición, Feynman dictaminó que esto sería una señal de la gravedad cuántica en acción.
"Cuando Feynman propuso esta idea de que, en principio, se podría colocar una masa en superposición en dos ubicaciones y luego ver si su campo gravitatorio también está en superposición cuántica, creía que eso significaría que la gravedad es cuántica", dijo Howl a Space.com.
Las explicaciones modernas de este experimento mental describen el acoplamiento entre los dos objetos como un entrelazamiento cuántico . Esto significa que las propiedades cuánticas de los objetos se vinculan inextricablemente entre sí, de tal manera que un cambio en uno provocará un cambio en el otro, sin importar la distancia que los separe. Albert Einstein se refirió al entrelazamiento cuántico como «acción fantasmal a distancia».
Sin embargo, Aziz y Howl han demostrado ahora que el entrelazamiento podría producirse incluso sin gravedad cuántica.
Una gran contradicción
Einstein describió la gravedad como la curvatura del espacio-tiempo (la unificación tetradimensional del espacio y el tiempo). Sin embargo, esto presenta un problema en lo que respecta a la física cuántica.
En física cuántica, las fuerzas fundamentales se dividen en paquetes discretos de energía llamados cuantos. Por ejemplo, un cuanto de la fuerza electromagnética es un fotón. En una descripción cuántica de la gravedad, la fuerza gravitatoria también debe tener sus propios cuantos, llamados gravitones. Sin embargo, nadie ha observado jamás un gravitón, ya que la probabilidad de que un gravitón individual interactúe con un detector es excepcionalmente baja.
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Después de todo, la materia oscura obedece a la gravedad; ¿podría eso descartar una quinta fuerza fundamental en el universo?
Además, en la gravedad cuántica, el entrelazamiento de los campos gravitacionales estaría mediado por "gravitones virtuales". Estos no existirían realmente, de ahí que se describan como "virtuales", pero en el extravagante mundo de la física cuántica, se permiten partículas que no existen durante períodos de tiempo muy breves.
Howl y Aziz demostraron que, si bien la gravedad no es cuántica, puede entrelazarse con la materia que, a su vez, puede describirse mediante la teoría cuántica de campos. El campo gravitatorio clásico interactúa con el campo cuántico de la materia que compone ambos objetos, y este cuasientrelazamiento se produce mediante partículas virtuales. En esencia, Aziz y Howl concibieron átomos virtuales.
«Generalmente se ha considerado que para que la interacción gravitatoria produzca entrelazamiento, el campo gravitatorio debe ser cuántico para poder estar en superposición cuántica», dijo Howl. «Lo que hemos intentado demostrar es que se puede pensar en la interacción gravitatoria como algo más general que la simple mediación del campo gravitatorio, y que podrían existir procesos cuánticos asociados a ella, procesos de materia virtual, y en ese caso, incluso si el campo gravitatorio es clásico, la interacción gravitatoria aún podría potencialmente entrelazar la materia».
Howl afirma que su trabajo con Aziz no descarta la gravedad cuántica, ni implica que la gravedad cuántica sea imposible de distinguir de este cuasientrelazamiento. Sus hallazgos sugieren que el efecto de la gravedad clásica sobre la materia entrelazada es mucho menor que si la gravedad fuera cuántica.
"Si se observan los efectos a gran escala, entonces se sabe que se trata de gravedad cuántica", dijo Howl.
Estos efectos se manifiestan como correlaciones entre partículas u objetos. Por ejemplo, imaginemos una partícula con espín cuántico de 1/2 (descrita como "arriba") y otra con espín cuántico de -1/2 (descrita como "abajo"), y que ambas se encuentran entrelazadas cuánticamente. Una correlación fuerte implica que, si se conoce el espín de una de las partículas como "arriba", se sabe automáticamente que el espín de la otra es "abajo", sin necesidad de medirlo.
Por otro lado, en el caso de la gravedad clásica, esa correlación se debilita considerablemente. Es una cuestión de probabilidades: al medir el espín de la otra partícula en experimentos repetidos, no se observará una disminución tan frecuente como la que se produciría si la gravedad cuántica influyera en el entrelazamiento.
Por ahora, el trabajo de Aziz y Howl, junto con el experimento mental original de Feynman, son tratados matemáticos. ¿Podría realizarse el experimento en la vida real?
"Todavía está por verse si se podría hacer", dijo Howl. "En teoría, no hay nada que diga que no se pueda hacer, y hay gente trabajando en ello en el Reino Unido, Austria y otros lugares, pero hay que eliminar toda la decoherencia [elementos que provocarían el colapso de la superposición] y es un reto increíblemente difícil".
Incluso si la gravedad es cuántica —y no todos piensan que necesariamente lo sea, por ejemplo, en 2023 Jonathan Oppenheim, del University College de Londres, publicó un modelo que combinaba la relatividad general clásica con la teoría cuántica de campos—, los hallazgos de Aziz y Howl potencialmente nos dicen algo nuevo sobre cómo se comporta la gravedad clásica.
Howl también predice que habrá resistencia a las ideas del equipo. «¡No sé si todos estarán de acuerdo con nosotros!», dijo. Sin embargo, se muestra optimista de que en las próximas décadas el experimento de Feynman finalmente pueda llevarse a cabo y proporcionar una prueba real para determinar si la gravedad cuántica es real o no.
El trabajo de Aziz y Howl se publicó el 22 de octubre en la revista Nature .https://www.space.com/astronomy/does-quantum-gravity-exist-a-new-experiment-has-deepened-the-mystery
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