El entorno gravitacional no se puede apantallar, por lo que resulta de especial interés como fuente de decoherencia imposible de eliminar. Los cálculos anteriores indicaban que la decoherencia gravitónica de las superposiciones espaciales solo es apreciable en sistemas con un momento del orden de la masa de Planck. Sin embargo, hace poco se descubrió que la estructura dinámica interna del sistema refuerza este mecanismo. Este trabajo continúa esa línea, añadiendo la influencia del potencial newtoniano clásico y precisando así el cuadro de la transición del comportamiento cuántico al clásico en presencia de la gravedad.
Los autores consideran una partícula compuesta con grados de libertad externos (la posición del centro de masa) e internos, que interactúa con el campo gravitacional cuantizado y con el potencial newtoniano clásico. Usando el formalismo del funcional de influencia de Feynman-Vernon, siguen la evolución de la matriz densidad reducida de los grados de libertad externos. Los grados de libertad internos se modelan como un medio óhmico a alta temperatura. Los gravitones se consideran en cuatro estados iniciales: de vacío, térmico, coherente y comprimido. Por simplicidad se analizan dos configuraciones de superposición de trayectorias: una con posición media constante y distancia variable entre las ramas, y otra con trayectorias que divergen linealmente.
En el límite de tiempos cortos domina la interacción directa con el baño de gravitones, y la decoherencia surge solo si el producto de la masa por la velocidad supera ampliamente el momento de Planck. Para masas microscópicas el efecto es despreciable. Sin embargo, en el límite de tiempos largos la contribución de la interacción de los gravitones con los grados de libertad internos crece como el cubo del tiempo y acaba predominando, lo que hace inevitable la decoherencia incluso para masas microscópicas. Por ejemplo, para una molécula con una masa de unos $10^{-22}$ kg, una temperatura del medio interno de $10^4$ K y un tamaño de superposición del orden de un nanómetro, el tiempo de decoherencia es de aproximadamente $10^5$ segundos (alrededor de 1,2 días). La presencia del potencial newtoniano frena ligeramente este proceso. En sistemas sin dinámica interna, la contribución del potencial newtoniano puede llevar a una recoherencia formal, pero los tiempos correspondientes son comparables a la edad del Universo.
El trabajo muestra que la estructura interna de un sistema cuántico cambia de manera fundamental el comportamiento a largo plazo de la decoherencia gravitacional, e impide la saturación característica de una partícula puntual. Esto lo distingue de investigaciones cercanas, que o bien consideraban solo partículas puntuales, o bien no tenían en cuenta la influencia simultánea del potencial clásico. El resultado es importante para entender los límites de validez de la mecánica cuántica y el papel de la gravedad en el proceso de medición.
Es posible generalizarlo a partículas relativistas y campos cuánticos, así como a otros fondos clásicos, por ejemplo el de Schwarzschild o el de un Universo en expansión. Resulta interesante la pregunta de si medios no gravitacionales, como el campo electromagnético, pueden mediar y amplificar la decoherencia gravitacional.
Los resultados pueden influir en la interpretación de experimentos con interferometría molecular, nanopartículas levitadas y resonadores mecánicos, aunque los tiempos de decoherencia observados siguen siendo demasiado grandes para las instalaciones actuales.
El siguiente paso puede ser estudiar la influencia de medios no gravitacionales en la amplificación de la decoherencia gravitacional, así como considerar correcciones relativistas y oscilaciones de neutrinos.
El trabajo se relaciona con el problema fundamental de la transición cuántico-clásica y con el papel de la gravedad en el colapso de la función de onda. También aborda la cuestión abierta de si se puede confirmar experimentalmente la naturaleza cuántica de la gravedad a través de efectos indirectos de decoherencia.
Para los gravitones relicto, que se supone que están en un estado fuertemente comprimido con un parámetro de compresión del orden de 100, el tiempo de decoherencia puede reducirse en un factor de $10^{29}$ en comparación con el estado de vacío.
En la novela «Cuarentena» de Greg Egan, las superposiciones cuánticas y su colapso bajo la acción del observador desempeñan un papel central. La idea de que el entorno gravitacional puede destruir de forma irremediable la coherencia cuántica resuena con esa trama.