Dos experimentos ponen a prueba la gravedad de Einstein a escala cuántica

En dos avances reportados este mes, los físicos han puesto a prueba el principio de equivalencia de Einstein de formas nunca antes intentadas: un equipo midiendo la fase cuántica de un átomo en caída libre y el otro construyendo un haz de partículas exóticas que podría extender la prueba a una clase de materia totalmente nueva.

Una onda cuántica en caída confirma a Einstein

Un equipo internacional liderado por la Universidad Ben-Gurión del Néguev, la Universidad de Ulm y la Universidad de Oxford ha medido por primera vez de forma directa la fase cuántica adquirida por un objeto en caída libre, descubriendo que coincide con la predicción derivada del principio de equivalencia de Einstein. El estudio, publicado el 2 de septiembre en Science Advances, incluyó al premio Nobel Sir Roger Penrose entre sus coautores.science+2

Utilizando un aparato llamado Interferómetro Cuántico de Galileo, los investigadores dividieron nubes de átomos de rubidio enfriados cerca del cero absoluto en superposiciones cuánticas, enviando una parte de la onda de cada átomo a caída libre mientras mantenían la otra estacionaria con un campo magnético. Cuando las dos mitades se reunieron, el patrón de interferencia reveló una diferencia de fase consistente con la predicción de Einstein de que los efectos de la gravedad desaparecen para un observador en caída libre.scitechdaily+2

"Este experimento lleva la mecánica cuántica a una de sus fronteras más intrigantes, la gravedad, y demuestra que, una vez más, sus predicciones se mantienen", afirmó el coautor del estudio Vlatko Vedral, de la Universidad de Oxford. El autor principal, Ron Folman, de la Universidad Ben-Gurión, calificó el trabajo como "un artículo único, en el sentido de que combina un experimento riguroso con una interpretación teórica de gran alcance" sobre la unificación de la gravedad y la teoría cuántica.ox+1

El experimento no prueba si la gravedad en sí es cuántica. Tampoco alcanza la masa o las escalas de tiempo necesarias para investigar la propuesta de Penrose de que la mecánica cuántica podría romperse para objetos suficientemente masivos, aunque el grupo ya está trabajando hacia ese objetivo utilizando partículas más pesadas como nanodiamantes.scitechdaily

Un cañón atómico para materia exótica

Por separado, investigadores de la ETH de Zúrich y el Instituto Paul Scherrer informaron en Nature Physics el 14 de septiembre que han creado un haz estrictamente controlado de muonio, un átomo exótico cuya masa proviene casi en su totalidad de un muón, un primo más pesado del electrón. Nadie había probado directamente si la gravedad actúa de la misma manera sobre tales partículas de segunda generación.nature+1

El equipo disparó antimuones hacia una capa de dos milímetros de helio superfluido enfriado a unos 0,2 kelvin. El líquido expulsó los átomos de muonio resultantes hacia arriba, al vacío, a un rango estrecho de velocidades cercanas a los 2,1 kilómetros por segundo, funcionando como lo que los investigadores describieron como un "cañón atómico". El haz es mucho más ordenado que cualquier cosa lograda anteriormente para el muonio, cuya vida útil de 2,2 microsegundos había hecho que tales experimentos fueran poco prácticos durante mucho tiempo.thebrighterside+1

"Hemos dado un paso importante hacia la realización de un experimento emocionante", dijo la profesora de la ETH de Zúrich, Anna Soter, quien dirigió el trabajo. "Queremos medir la interacción gravitacional del muón". El equipo proyecta que podría alcanzar aproximadamente un uno por ciento de precisión en la aceleración gravitacional del muonio después de unos 100 días de recolección de datos, aunque la interferometría y los controles sistemáticos necesarios para una medición de gravedad real aún deben ser demostrados.ethz+1

Tendiendo puentes entre dos pilares de la física

Ninguno de los experimentos resuelve la incompatibilidad de larga data entre la mecánica cuántica y la relatividad general. Pero juntos, marcan un frente en expansión en el esfuerzo por probar la gravedad de Einstein a escala cuántica: desde átomos de rubidio ordinarios que confirmaron una predicción centenaria, hasta partículas exóticas de corta vida que nunca antes habían sido pesadas por la gravedad.