El experimento de caída libre podría probar si la gravedad es una fuerza cuántica
Hasta el momento, nuestra búsqueda de la gravedad cuántica se ha quedado corta. Crédito de la imagen: Manuela Schewe-Behnisch / EyeEm / Getty
Por Anil Ananthaswamy, para New Scientist• 15 de noviembre de 2017
A pesar de décadas de esfuerzo, una teoría de la gravedad cuántica aún está fuera de alcance. Ahora un grupo de físicos ha propuesto una prueba experimental de si la gravedad es cuántica o no, para resolver preguntas sobre la verdadera naturaleza de la fuerza.
La búsqueda de la gravedad cuántica es un esfuerzo por reconciliar la relatividad general de Einstein con la mecánica cuántica, que es una teoría de todas las partículas fundamentales y las fuerzas que actúan sobre ellas, excepto la gravedad. Ambos son necesarios para explicar qué sucede dentro de los agujeros negros y qué sucedió en el Big Bang. Pero las dos teorías son incompatibles, lo que lleva a aparentes paradojas y cosas como singularidades, donde las teorías se rompen.
Si la gravedad es una fuerza mecánica cuántica, las masas de caída libre adyacentes, cada una de las cuales está en una superposición de estar en dos lugares a la vez, podrían enredarse por la gravedad de tal forma que medir las propiedades de una masa podría influir instantáneamente en la otra. Para probar esto, Sougato Bose de University College London y sus colegas han propuesto un experimento.
Caminos de ramificación
Comienza con una masa con carga neutra que pesa entre 10 y 14 kilogramos. Incrustado dentro de la masa hay algún material con una propiedad llamada spin, que puede estar arriba o abajo. Esta masa cae a través de un campo magnético continuamente variable, que cambia la trayectoria de la masa dependiendo de su giro. Es como si la masa se encuentra con un tenedor en el camino y toma un camino si su giro es hacia arriba, y otro si su giro es hacia abajo.
A medida que cae, la masa se encuentra en una superposición de estar en ambos caminos. A continuación, una serie de pulsos de microondas manipula el giro en varias etapas de descenso y, por lo tanto, los caminos que toma la masa. En la parte inferior, los caminos se unen de nuevo y la masa se lleva a su estado original.
Para usar esta configuración para probar la naturaleza cuántica de la gravedad, dos de esas masas se dejarían caer a través del campo magnético. Cada masa tiene dos caminos posibles. Esto resulta en cuatro estados posibles para las dos masas combinadas. Uno de estos estados representa caminos en los que las masas se acercan más.
Esta distancia no debe ser inferior a 200 micras para evitar otras interacciones que puedan dominar la gravedad. Una vez que las masas vuelven a su estado original, una prueba para ver si sus componentes de giro se enredan debería decirnos si la gravedad es realmente una fuerza cuántica. La suposición, por supuesto, es que el experimento asegura que no hay otras formas en que las masas puedan enredarse, como a través de interacciones electromagnéticas o la fuerza de Casimir.
Bose señala, sin embargo, que un resultado nulo, en el que no se observa enredo, no constituiría prueba de que la gravedad es clásica, a menos que el experimento pueda descartar definitivamente todas las demás interacciones con el entorno que puedan destruir el enredo, como las colisiones con fotones o moléculas perdidas.
Raíces cuánticas?
Antoine Tilloy en el Instituto Max Planck de Óptica Cuántica en Alemania está impresionado. Pero él señala que un resultado positivo solo falsificará algunas clases de teorías de la gravedad clásica. "Dicho eso, la clase es lo suficientemente grande como para que el resultado siga siendo sorprendente", dice.
Incluso un resultado nulo verificable sería emocionante porque significaría que la gravedad no tiene raíces cuánticas, dice Maaneli Derakhshani de la Universidad de Utrecht en los Países Bajos. "Esto plantearía preguntas difíciles pero interesantes sobre cómo y cuándo se activa exactamente la gravedad" en la transición cuántica clásica para la materia ordinaria ", dice Derakhshani. "Un resultado nulo sería el resultado más sorprendente e interesante".
El obstáculo más grande para llevar a cabo el experimento de verdad sería colocar tales masas relativamente grandes en una superposición. Los objetos más masivos que se han observado en dos lugares a la vez siguen siendo órdenes de magnitud más pequeños de lo que se requiere aquí. Pero los esfuerzos para ir más alto están en curso.
Este trabajo pronto se publicará en Physical Review Letters.
Referencia: arxiv.org/abs/1707.06050
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Hasta el momento, nuestra búsqueda de la gravedad cuántica se ha quedado corta. Crédito de la imagen: Manuela Schewe-Behnisch / EyeEm / Getty
Por Anil Ananthaswamy, para New Scientist• 15 de noviembre de 2017
A pesar de décadas de esfuerzo, una teoría de la gravedad cuántica aún está fuera de alcance. Ahora un grupo de físicos ha propuesto una prueba experimental de si la gravedad es cuántica o no, para resolver preguntas sobre la verdadera naturaleza de la fuerza.
La búsqueda de la gravedad cuántica es un esfuerzo por reconciliar la relatividad general de Einstein con la mecánica cuántica, que es una teoría de todas las partículas fundamentales y las fuerzas que actúan sobre ellas, excepto la gravedad. Ambos son necesarios para explicar qué sucede dentro de los agujeros negros y qué sucedió en el Big Bang. Pero las dos teorías son incompatibles, lo que lleva a aparentes paradojas y cosas como singularidades, donde las teorías se rompen.
Si la gravedad es una fuerza mecánica cuántica, las masas de caída libre adyacentes, cada una de las cuales está en una superposición de estar en dos lugares a la vez, podrían enredarse por la gravedad de tal forma que medir las propiedades de una masa podría influir instantáneamente en la otra. Para probar esto, Sougato Bose de University College London y sus colegas han propuesto un experimento.
Caminos de ramificación
Comienza con una masa con carga neutra que pesa entre 10 y 14 kilogramos. Incrustado dentro de la masa hay algún material con una propiedad llamada spin, que puede estar arriba o abajo. Esta masa cae a través de un campo magnético continuamente variable, que cambia la trayectoria de la masa dependiendo de su giro. Es como si la masa se encuentra con un tenedor en el camino y toma un camino si su giro es hacia arriba, y otro si su giro es hacia abajo.
A medida que cae, la masa se encuentra en una superposición de estar en ambos caminos. A continuación, una serie de pulsos de microondas manipula el giro en varias etapas de descenso y, por lo tanto, los caminos que toma la masa. En la parte inferior, los caminos se unen de nuevo y la masa se lleva a su estado original.
Para usar esta configuración para probar la naturaleza cuántica de la gravedad, dos de esas masas se dejarían caer a través del campo magnético. Cada masa tiene dos caminos posibles. Esto resulta en cuatro estados posibles para las dos masas combinadas. Uno de estos estados representa caminos en los que las masas se acercan más.
Esta distancia no debe ser inferior a 200 micras para evitar otras interacciones que puedan dominar la gravedad. Una vez que las masas vuelven a su estado original, una prueba para ver si sus componentes de giro se enredan debería decirnos si la gravedad es realmente una fuerza cuántica. La suposición, por supuesto, es que el experimento asegura que no hay otras formas en que las masas puedan enredarse, como a través de interacciones electromagnéticas o la fuerza de Casimir.
Bose señala, sin embargo, que un resultado nulo, en el que no se observa enredo, no constituiría prueba de que la gravedad es clásica, a menos que el experimento pueda descartar definitivamente todas las demás interacciones con el entorno que puedan destruir el enredo, como las colisiones con fotones o moléculas perdidas.
Raíces cuánticas?
Antoine Tilloy en el Instituto Max Planck de Óptica Cuántica en Alemania está impresionado. Pero él señala que un resultado positivo solo falsificará algunas clases de teorías de la gravedad clásica. "Dicho eso, la clase es lo suficientemente grande como para que el resultado siga siendo sorprendente", dice.
Incluso un resultado nulo verificable sería emocionante porque significaría que la gravedad no tiene raíces cuánticas, dice Maaneli Derakhshani de la Universidad de Utrecht en los Países Bajos. "Esto plantearía preguntas difíciles pero interesantes sobre cómo y cuándo se activa exactamente la gravedad" en la transición cuántica clásica para la materia ordinaria ", dice Derakhshani. "Un resultado nulo sería el resultado más sorprendente e interesante".
El obstáculo más grande para llevar a cabo el experimento de verdad sería colocar tales masas relativamente grandes en una superposición. Los objetos más masivos que se han observado en dos lugares a la vez siguen siendo órdenes de magnitud más pequeños de lo que se requiere aquí. Pero los esfuerzos para ir más alto están en curso.
Este trabajo pronto se publicará en Physical Review Letters.
Referencia: arxiv.org/abs/1707.06050
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