Naturaleza cuántica de la gravedad. Crédito de la imagen: Wallhere
El experimento podría ayudarnos a descubrir si la teoría de la gravedad puede ser compatible con las explicaciones mecánico-cuánticas de las otras fuerzas fundamentales, un objetivo perseguido en la física desde hace mucho tiempo.
Los físicos matemáticos de los Países Bajos y Alemania han sugerido un experimento de gravitación innovador que se asemeja al método Cavendish utilizado para calcular la densidad de la Tierra. Este experimento podría brindar una alternativa para determinar si la gravedad es un fenómeno cuántico o clásico. Si se realiza, el experimento podría ayudarnos a descubrir si la teoría de la gravedad puede ser compatible con las explicaciones mecánico-cuánticas de las otras fuerzas fundamentales, un objetivo perseguido en la física desde hace mucho tiempo.
Una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza es la gravedad. Se distingue de las demás (la fuerza electromagnética y la fuerza nuclear fuerte y débil) porque describe una curvatura en el espacio-tiempo en lugar de interacciones entre objetos. Esta puede ser la razón por la que todavía no entendemos si es clásico (como lo describió Albert Einstein en su teoría general de la relatividad) o si se rige por las leyes de la mecánica cuántica y, por lo tanto, no puede ser descrito por completo por un campo clásico local.
Muchos experimentos que buscan resolver este misterio de larga data se basan en la creación de un entrelazamiento cuántico entre dos objetos macroscópicos colocados a cierta distancia uno del otro. El entrelazamiento es un fenómeno mediante el cual la información contenida en un conjunto de partículas está codificada en correlaciones entre ellas. Este es un rasgo esencial de la mecánica cuántica, que lo distingue del mundo clásico en el mundo cuántico. Por lo tanto, la hipótesis es que la gravedad debe ser cuántica si se pueden combinar objetos masivos y distantes (también conocidos como estados deslocalizados).
Reconstruyendo la naturaleza cuántica de la gravedad sin producir entrelazamientos
El problema es que hacer que objetos grandes se comporten como partículas cuánticas es extremadamente difícil. De hecho, cuanto más grandes se vuelven, más es probable que pierdan su cuántica y se comporten como objetos convencionales.
Ludwigo Lami de la Universidad de Amsterdam y Martin Plenio y Julen Pedernales de la Universidad de Ulm han propuesto un experimento innovador que podría revelar la naturaleza cuántica de la gravedad sin causar entrelazamientos. Su propuesta, que hasta ahora es solo un experimento mental, consiste en investigar las relaciones entre dos péndulos de torsión que se encuentran cerca uno del otro y que giran hacia adelante y hacia atrás, funcionando como osciladores armónicos masivos.
Aunque esta configuración es muy similar a la que utilizó Henry Cavendish en 1797 para medir la intensidad de la fuerza gravitacional, su objetivo era diferente. El objetivo, según el equipo, es descubrir las correlaciones que surgen de todo el proceso dinámico impulsado por la gravedad y demostrar que, si se asume el tipo de dinámica que implica una versión local y clásica de la gravedad, no se pueden replicar. Lami llama a este tipo de dinámica en información cuántica ‘LOCC’ (de ‘operaciones locales y comunicación clásica’). Los investigadores explican su investigación en Physical Review X porque los experimentos tradicionales tienen obstáculos conocidos que son difíciles de superar. En particular, necesitan preparar grandes estados deslocalizados.
Lami afirma que el nuevo experimento es un método alternativo de realizar experimentos que pueden determinar claramente si la gravedad es, en última instancia, completamente clásica, como nos enseñó Einstein, o de alguna manera no clásica y, por lo tanto, muy probablemente cuántica. «Aunque no afirmamos que nuestro método sea completo y absolutamente mejor que los demás, es bastante diferente y, dependiendo de la plataforma experimental, puede resultar más fácil de implementar en la práctica».
Lami, Plenio y Pedernales están ahora trabajando para aplicar sus análisis a experimentos del mundo real utilizando otros factores además de la gravedad. Aunque hacerlo complicará el panorama y complicará sus análisis, reconocen que eventualmente será necesario construir un experimento «a prueba de balas».
Plenio afirma que su método podría revelar otros datos más detallados sobre el tipo de gravedad. «En nuestro trabajo describimos cómo decidir si las operaciones locales y comunicaciones clásicas pueden imitar la gravedad o no». No obstante, existe la posibilidad de que existan modelos alternativos, como aquellos en los que la gravedad se rige por una dinámica que no sigue el LOCC, sin que esto provoque entrelazamientos. Esta dinámica se conoce como «preservación de la separabilidad». Por lo general, también podemos resolver estas ecuaciones.
REFERENCIAS
Testing the Quantumness of Gravity without Entanglement. Ludovico Lami, Julen S. Pedernales, and Martin B. Plenio. PHYSICAL REVIEW X: https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.14.021022
