Por Natalie Wolchover, 9 de marzo de 2018
En 1935, cuando las teorías de la mecánica cuántica y de la teoría de la relatividad general de Einstein estaban en sus inicios, un físico soviético poco conocido llamado Matvei Bronstein, que apenas tenía 28 años, realizó el primer intento detallado del problema de reconciliar las dos teorías en una teoría cuántica de la gravedad. Esta “posible teoría del mundo como un todo”, como la llamó Bronstein, reemplazaría la descripción clásica de Einstein de la gravedad, que la presenta como curvas en el continuo espacio-tiempo, y la reescribiría en el mismo lenguaje cuántico que el resto de la física.
Bronstein ideó cómo describir la gravedad en términos de partículas cuánticas, que ahora se llaman gravitones, pero sólo cuando la fuerza de la gravedad es débil, es decir, siguiendo la teoría de la relatividad general, cuando el tejido espacio-tiempo está débilmente curvado aproximándose a una superficie plana. Cuando la gravedad es fuerte, “la situación es bastante diferente”, escribió. “Sin una profunda revisión de las teorías clásicas, parece casi imposible extender la teoría cuántica de la gravedad a este dominio”.
Sus palabras parecen proféticas: 83 años después, los físicos aún intentan comprender cómo se origina la curvatura del espacio-tiempo a escala macroscópica, desde una imagen más fundamental, presumiblemente cuántica, de la gravedad. Podría decirse que es la pregunta más acuciante en física. Quizás, aprovechando la oportunidad que se le ofreció, el astuto Bronstein podría haber ayudado a acelerar las cosas. Además de dedicarse al estudio de la gravedad cuántica, contribuyó a la astrofísica y la cosmología, la teoría de los semiconductores y la electrodinámica cuántica, y también escribió varios libros de ciencia para niños, antes de caer en la Gran Purga de Stalin y ser ejecutado en 1938, a los 31 años de edad.
La búsqueda de una teoría de la gravedad cuántica se ha visto obstaculizada por el hecho de que las propiedades cuánticas de la gravedad nunca parecen manifestarse en nuestras experiencias de la vida. Los físicos nunca han llegado a comprobar cómo falla la descripción de Einstein del continuo espacio-tiempo, o la aproximación cuántica de Bronstein cuando se presenta una débil curvatura.
El problema es la extrema debilidad de la gravedad. Mientras que las partículas cuánticas comunican las fuerzas fuertes, las débiles y las electromagnéticas, las cuales son tan intensas que unen fuertemente la materia en átomos y pueden estudiarse en experimentos de mesa, los gravitones son individualmente tan débiles que los laboratorios no tienen ninguna esperanza en detectarlos. Para detectar un gravitón se necesitaría un detector de partículas tan grande y masivo que colapsaría en un agujero negro. Esta debilidad es la razón por la cual se necesita una acumulación astronómica de masa para influir gravitacionalmente en otros cuerpos masivos, y por la que sólo vemos que la gravedad se manifiesta a gran escala.
No sólo es eso, sino que el universo parece gobernado por una especie de censura cósmica: regiones de extrema gravedad, donde el espacio-tiempo se curva tan bruscamente que las ecuaciones de Einstein no se comportan nada bien y la verdadera naturaleza cuántica de la gravedad y el espacio-tiempo deben ser desveladas- siempre se esconden detrás de los horizontes de los agujeros negros.
“Incluso hace unos años había un consenso generalizado de que muy probablemente no haya manera de medir la cuantificación del campo gravitacional”, dice Igor Pikovski, físico de la Universidad de Harvard.
Ahora, un par de artículos publicados recientemente en Physical Review Letters han hecho cambiar la manera de ver las cosas. Los artículos sostienen que es posible describir la gravedad en términos cuánticos después de todo, aunque no se descubre nada nuevo al respecto. Los artículos, escritos por Sougato Bose de la University College London y nueve colaboradores, y por Chiara Maletto y Vlatko Vedral de la Universidad de Oxford, proponen un experimento de mesa, técnicamente desafiante, pero factible, que podría confirmar que la gravedad es una fuerza cuántica como el resto de fuerzas, aunque no se detecte el gravitón. Miles Blencowe, un físico cuántico de la Universidad de Datmouth que no participó en el trabajo, dijo que el experimento detectaría una señal segura de la gravedad cuántica invisible: la “sonrisa del gato de Cheshire”.
El experimento que se propone determinará si dos objetos, el grupo de Bose planea utilizar un par de microdiamantes, pueden entrelazarse de manera mecánico-cuántica entres sí, a través de su mutua atracción gravitacional. El entrelazamiento es un fenómeno cuántico en el que las partículas se entrelazan de manera inseparable, compartiendo una única descripción física que caracteriza sus posibles estados combinados. (La coexistencia de los diferentes estados posibles, lo que se llama “superposición”, es el rasgo distintivo de los sistemas cuánticos). Por ejemplo, un par de partículas entrelazadas podría darse en una superposición en la que hay un 50% de probabilidades de que el giro de la partícula A apunte hacia arriba y la B hacia abajo, y un 50% de probabilidades de lo contrario. No se sabe de antemano qué resultado se puede obtener cuando se midan las direcciones de giro de las partículas, pero es seguro de que señalarán caminos opuestos.
Los autores argumentan que los dos objetos que proponen para su experimento puede entrelazarse entre sí de esta manera sólo si las fuerza que actúa entre ellos, en este caso, la gravedad, es una interacción cuántica, mediada por gravitones que pueden mantener superposiciones cuánticas.
“Si puede hacer el experimento y conseguir el entrelazamiento, entonces de acuerdos con esos artículos, se debe concluir que la gravedad esta cuantizada”, explicó Blencowe.
La gravedad cuántica es tan imperceptible que algunos investigadores se han preguntado si realmente hay tal cosa. El físico matemático Freeman Dyson, de 94 años, lleva argumentando desde 2001 que el universo podría sostener una especie de descripción «dualista», donde «el campo gravitacional descrito por la teoría de la relatividad general de Einstein es un campo puramente clásico sin ningún comportamiento cuántico”, como escribió ese año en The New York Review of Books, a pesar de que toda la materia dentro de este continuo espacio-tiempo está cuantizada en partículas que obedecen a reglas probabilísticas.
Dyson, quien contribuyó a desarrollar la electrodinámica cuántica (la teoría de las interacciones entre la materia y la luz) y es profesor emérito en el Instituto de Estudios Avanzados de Princeton, Nueva Jersey, donde coincidió con Einstein, no está de acuerdo con el argumento de que la gravedad cuántica es necesaria para describir el interior inaccesible de los agujeros negros. Y se pregunta si la detección del hipotético gravitón podría ser imposible, incluso por principio. En ese caso, argumenta, la gravedad cuántica es metafísica, más que física.
No es el único escéptico. El renombrado físico británico Sir Roger Penrose y, de forma independiente, el investigador húngaro Lajos Diósi, han planteado la hipótesis de que el espacio-tiempo no puede mantener superposiciones. Argumentan que su naturaleza fluida, sólida y fundamentalmente clásica le impide curvarse de dos maneras diferentes a la vez, y que su rigidez es exactamente lo que causa el colapso de las superposiciones de sistemas cuánticos como los electrones y los fotones. Esta «decoherencia gravitacional», en su opinión, da lugar a la realidad clásica única, sólida como una roca, experimentada a escalas macroscópicas.
La capacidad de detectar la “sonrisa” de la gravedad cuántica parece refutar el argumento de Dyson. También acabaría con la teoría de la decoherencia cuántica, al mostrar que la gravedad y el espacio-tiempo mantienen superposiciones cuánticas.
Las propuestas de Bose y Marletto aparecieron simultáneamente, sobre todo por casualidad, aunque los expertos dicen que son un reflejo del espíritu del momento. Los laboratorios experimentales de física cuántica de todo el mundo están sometiendo objetos microscópicos cada vez más grandes a superposiciones cuánticas y racionalizando protocolos para probar si dos sistemas cuánticos están entrelazados. El experimento propuesto tendrá que combinar estos procedimientos a la vez que requerirá mejoras adicionales en el tamaño y la sensibilidad; podría tardar una década o más en poderse llevar a cabo. «Pero no hay obstáculos físicos«, dijo Pikovski, que también estudia cómo los experimentos de laboratorio podrían investigar los fenómenos gravitacionales. «Creo que es un reto, pero no creo que sea imposible”.
El plan se expone con mayor detalle en el documento de Bose y sus coautores, un elenco de 11 expertos de Ocean para completar las diferentes fases de la propuesta. En su laboratorio de la Universidad de Warwick, por ejemplo, un coautor, Gavin Morley, está trabajando en el primer paso, intentando poner un microdiamante en una superposición cuántica de dos lugares de trabajo diferentes. Para hacer esto, incrustará un átomo de nitrógeno en el microdiamante, junto a una cavidad en la estructura del diamante, y lo hará con un impulso de microondas. Un electrón que orbita el centro vacío de nitrógeno de un diamante absorbe la luz y no lo hace, y el sistema entra en una superposición cuántica de dos direcciones de giro -arriba y abajo- como una peonza que tiene alguna probabilidad de girar en el sentido de las manecillas del reloj y alguna posibilidad de girar en sentido contrario a las manecillas del reloj. El microdiamante, dotado de este giro superpuesto, está sometido a un campo magnético, que hace que los spin arriba se muevan a la izquierda mientras que los spin abajo se muevan a la derecha. El diamante en sí mismo se divide en una superposición de dos trayectorias.
En el experimento completo, los investigadores deben hacer todo esto con dos diamantes – uno azul y otro rojo, dicen – suspendidos uno al lado del otro dentro de un vacío ultrafrío. Cuando la trampilla que los sostiene está desconectada, los dos microdiamantes, cada uno en una superposición de dos posiciones, caen verticalmente en el vacío. A medida que caen, los diamantes sienten la gravedad del otro. ¿Pero cómo es de fuerte su atracción gravitacional?
Si la gravedad es una interacción cuántica, entonces la respuesta es: depende. Cada componente de la superposición del diamante azul experimentará una atracción gravitacional más fuerte o más débil hacia el diamante rojo, dependiendo de si éste se encuentra en la rama de su superposición que está más cercana o más lejana. Y la gravedad que siente cada componente de la superposición del diamante rojo depende igualmente de dónde esté el diamante azul.
En cada caso, los diferentes grados de atracción gravitacional afectan a los componentes evolutivos de las superposiciones de los diamantes. Los dos diamantes se convierten en interdependientes, lo que significa que sus estados sólo pueden ser determinados en combinación – si esto, entonces aquello – para que, al final, las direcciones de espín de sus dos sistemas de centro vacío de nitrógeno estén correlacionadas.
Después de que los microdiamantes hayan ido cayendo uno al lado del otro durante aproximadamente tres segundos, tiempo suficiente como para entrelazarse con la gravedad del otro, pasan a través de otro campo magnético que vuelve a unir las ramas de cada superposición. El último paso del experimento consiste en un protocolo de “testigo de entrelazamiento” desarrollado por la física holandesa Bárbara Terhal y otros: los diamantes azules y rojos entran en dispositivos separados que miden las direcciones de giro de sus sistemas de centro vacío de nitrógeno. (La medición hace que las superposiciones colapsen en estados definidos). Luego se comparan los dos resultados. Realizando varias veces el experimento y comparando muchos pares de mediciones de espín, los investigadores pueden determinar si los espines de los dos sistemas cuánticos están correlacionados entre sí con mayor frecuencia que un límite superior conocido para objetos que no están entrelazados cuánticamente. En este caso, se podrá concluir que la gravedad entrelaza a ambos diamantes y pueden darse superposiciones.
«Lo que es bello de estos argumentos es que realmente no se necesita saber qué es la teoría cuántica, de manera específica», dijo Blencowe. «Todo lo que tienes que saber es que tiene que haber algún aspecto cuántico en este campo que mediará la fuerza entre las dos partículas”.
Sin embargo, la realización del experimento supone salvar abundantes desafíos técnicos. El objeto más grande del que se ha realizado un superposición en dos ubicaciones distintas es una molécula de 800 átomos. Cada microdiamante contiene más de 100 mil millones de átomos de carbono, suficientes como para obtener una fuerza gravitacional adecuada. Descubrir su carácter cuántico requerirá de unas temperaturas más frías, mayor vacío y un control más preciso. “La mayor parte del trabajo consiste en poner en marcha esta superposición inicial”, dice Peter Baker, miembro del equipo experimental de la UCL que está mejorando los métodos de enfriamiento por láser y captura de microdiamantes. Si se puede hacer con un diamante, Bose agrega, “entonces hacerlo con dos no supone mucha diferencia”.
Los investigadores que intentan descubrir si la gravedad es una fuerza cuántica no dudan de que la gravedad es una interacción cuántica capaz de inducir el entrelazamiento. Ciertamente, la gravedad es especial en algunos aspectos, y hay mucho por descubrir sobre el origen del espacio y el tiempo, pero la mecánica cuántica debe estar involucrada, dicen. “No tiene mucho sentido tener por un lado una teoría de la física que es cuántica y por otro la gravedad, que se considerara desde el punto de vista clásico”, dice Daniel Harlow, un investigador de la gravedad cuántica del MIT. Los argumentos teóricos contra los modelos mixtos cuánticos y clásicos son sólidos (aunque no concluyentes).
Por otro lado, los teóricos ya se han equivocado antes, señaló Harlow: «Así que si puedes comprobarlo, ¿por qué no? Si eso callará a esta gente», es decir, a la gente que cuestiona la gravedad,»eso es genial«.
Dyson escribió en un correo electrónico, después de leer los documentos de la PRL, «El experimento propuesto es ciertamente de gran interés y vale la pena realizarlo con sistemas cuánticos reales». Sin embargo, dijo que la manera de pensar de los autores sobre los campos cuánticos difiere de la suya. «No me queda claro si [el experimento] resolvería la cuestión de si la gravedad cuántica existe», escribió. «La pregunta que he estado haciendo, si un solo gravitón es observable, es una pregunta diferente y puede resultar tener una respuesta diferente.«
De hecho, lo que Bose, Marletto y sus coautores piensan acerca de la gravedad cuántica deriva de cómo Bronstein la concibió por primera vez en 1935. (Dyson dijo que el trabajo de Bronstein es «un hermoso trabajo» que no había visto antes. En particular, Bronstein demostró que la débil gravedad producida por una masa pequeña puede ser estimada por la ley de gravedad de Newton. (Esta es la fuerza que actúa entre las superposiciones de microdiamantes.) Según Blencowe, los cálculos de gravedad cuántica débil no se han desarrollado mucho, a pesar de ser indiscutiblemente más relevantes físicamente que la física de los agujeros negros o el Big Bang. Espera que la nueva propuesta experimental incite a los teóricos a averiguar si existen correcciones sutiles a la aproximación newtoniana que los futuros experimentos de mesa puedan probar.
Leonard Susskind, un destacado teórico de la gravedad cuántica y de las cuerdas de la Universidad de Stanford, destacó la importancia de llevar a cabo el experimento propuesto porque «proporciona una observación de la gravedad en un nuevo rango de masas y distancias». Pero él y otros investigadores enfatizaron que los microdiamantes no pueden revelar nada sobre la teoría completa de la gravedad cuántica o el espacio-tiempo. Él y sus colegas quieren entender lo que sucede en el centro de un agujero negro y en el momento del Big Bang.
Tal vez una pista de por qué es mucho más difícil cuantizar la gravedad que todo lo demás es que otros campos de fuerza en la naturaleza exhiben una característica llamada «localidad»: Las partículas cuánticas en una región del campo (fotones en el campo electromagnético, por ejemplo) son «independientes de las entidades físicas de alguna otra región del espacio«, dice Mark Van Raamsdonk, un teórico de la gravedad cuántica de la Universidad de la Columbia Británica. Pero»hay una gran cantidad de evidencias teóricas de que la gravedad no funciona así».
En los mejores modelos para comprobar la gravedad cuántica (que tienen geometrías espacio-temporales más simples que las del universo real), no es posible asumir que el flexible tejido espacio-temporal se subdivida en piezas tridimensionales independientes, dijo Van Raamsdonk. En cambio, la teoría moderna sugiere que los componentes fundamentales subyacentes del espacio «están organizados más bien en 2 dimensiones«. El tejido espacio-temporal podría ser como un holograma o un videojuego: «Aunque la imagen es tridimensional, la información se almacena en algún chip de computadora bidimensional«, dijo. En ese caso, el mundo 3-D es ilusorio en el sentido de que las diferentes partes de él no son tan independientes. En la analogía del videojuego, un puñado de bits almacenados en el chip 2-D podría codificar las características globales del universo del juego.
La diferencia es importante cuando se trata de construir una teoría cuántica de la gravedad. El enfoque habitual para cuantificar algo es identificar sus partes independientes -por ejemplo, las partículas- y luego aplicarles la mecánica cuántica. Pero si no identificas los constituyentes correctos, obtienes las ecuaciones equivocadas. Cuantificar directamente el espacio tridimensional, como lo hizo Bronstein, funciona hasta cierto punto para la gravedad débil, pero el método falla cuando el espacio-tiempo está muy curvado.
Presenciar la «sonrisa» de la gravedad cuántica ayudaría a estimular estas líneas abstractas de razonamiento, dijeron algunos expertos. Después de todo, incluso los argumentos teóricos más sensatos sobre la existencia de la gravedad cuántica carecen de la importancia de los hechos experimentales. Cuando Van Raamsdonk explica su investigación en un coloquio o conversación, dice, normalmente tiene que empezar diciendo que la gravedad necesita reconciliarse con la mecánica cuántica porque la descripción clásica del espacio-tiempo falla para los agujeros negros y el Big Bang, y en algunos experimentos mentales sobre partículas que chocan con energías inalcanzablemente altas. «Pero si pudieras hacer este simple experimento y obtener el resultado que te muestre que el campo gravitacional estaba realmente en una superposición«, dice, entonces la razón por la que la descripción clásica se queda corta sería evidente: «porque existe este experimento que sugiere que la gravedad es cuántica«.
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