Gravedad que repele: la superposición cuántica contra la atracción
Contexto
La gravedad sigue siendo la última de las fuerzas fundamentales que carece de una teoría cuántica aceptada de forma general. Los experimentos con neutrones y átomos en un campo gravitatorio solo muestran que las partículas cuánticas perciben la gravedad clásica, pero no demuestran que el propio campo sea cuántico. En torno a este trabajo ya se ha formado toda una línea de investigación: unos grupos proponen buscar el entrelazamiento creado por la gravedad, otros comprueban cómo se comporta la gravedad al medirla. Este artículo se sitúa en esa misma corriente, pero ofrece una prueba cualitativamente distinta: en lugar del entrelazamiento, usar un valor débil anómalo que cambia el signo de la fuerza.
Métodos
El esquema incluye dos objetos masivos: la fuente (masa 1) y una partícula de prueba (masa 2). La fuente atraviesa un interferómetro de Stern-Gerlach, donde su espín controla la posición en el espacio y genera una superposición de dos trayectorias. La partícula de prueba se encuentra inicialmente en el estado fundamental de una trampa armónica; después se libera y se mueve libremente bajo la acción de la gravedad de la fuente. Tras la interferometría, la fuente se somete a postselección: se mide un estado de espín que corresponde a un valor débil anómalamente grande y negativo de la proyección sobre la trayectoria más cercana a la partícula de prueba. Esto hace que el impulso transmitido a la partícula de prueba cambie de signo y se amplifique en un factor 1/ε, donde ε es un pequeño parámetro de asimetría de la superposición inicial.
Resultados
Con la postselección, con una probabilidad ε²/4 ≈ 2.5×10⁻⁵, la masa de prueba recibe un impulso dirigido en sentido contrario a la fuente, es decir, se observa una repulsión gravitatoria efectiva. Para parámetros realistas (masas de ~10⁻¹⁴ y 10⁻¹² kg, distancia de 20 μm, tiempo de interferometría de 1 s, compresión del impulso η~0.35), el desplazamiento esperado de la partícula de prueba en 10 s es de alrededor de 1 Å, algo ya accesible a la medición. La probabilidad total de detectar con éxito un evento de repulsión se estima en 2.5×10⁻⁷, es decir, harían falta del orden de 4×10⁷ repeticiones del experimento.
Implicaciones
A diferencia de los trabajos vecinos, donde la cuanticidad de la gravedad se demuestra mediante el entrelazamiento, aquí se emplea una medición débil con postselección. Es un método radicalmente distinto: no exige crear un estado entrelazado entre las masas, sino que se apoya en la interferencia de amplitudes en la propia fuente. Si el experimento sale bien, será una evidencia directa de que el campo gravitatorio puede hallarse en una superposición de estados y, por tanto, de que el espacio-tiempo obedece las leyes de la mecánica cuántica.
Desarrollo futuro
El esquema propuesto puede extenderse a masas mayores y a superposiciones mayores. La mejora de las técnicas de enfriamiento y de compresión del impulso permitirá reducir el número de repeticiones necesario. Es posible adaptar el método para comprobar otros efectos cuánticos de la gravedad, por ejemplo, las fluctuaciones cuánticas de la métrica. También resulta interesante estudiar cómo depende la repulsión de la distancia y de la masa, para compararla con las predicciones de teorías concretas de gravedad cuántica.
Impacto
El resultado influirá en la física fundamental: en la teoría cuántica de campos en un espacio-tiempo curvo, en las teorías de gravedad cuántica y en las interpretaciones de la mecánica cuántica. En el plano práctico, estimulará el desarrollo de tecnologías de levitación de nanopartículas, de mediciones de precisión de fuerzas débiles y de control cuántico de objetos macroscópicos.
Próximos pasos
El paso más inmediato es la realización de la interferometría de Stern-Gerlach para un nanocristal de 10⁻¹⁴ kg con un tiempo de coherencia de alrededor de 1 s. Después habrá que integrar una trampa para la masa de prueba y un sistema de medición precisa de su posición con resolución subangstrom.
Problemas abiertos clave
El trabajo está directamente relacionado con el problema de la naturaleza cuántica de la gravedad, una de las grandes cuestiones abiertas de la física teórica. También toca el problema de la transición cuántico-clásica: hasta qué escalas se conserva la superposición cuántica y cómo se manifiesta en la interacción gravitatoria. El éxito del experimento ayudaría a elegir entre modelos puramente cuánticos y semiclásicos de la gravedad.
El valor débil de la proyección puede ser negativo y mayor que uno en módulo, lo que da la impresión de que la partícula está en un lugar donde hay «menos que nada». Justamente ese efecto paradójico convierte la atracción en repulsión.
La idea de una repulsión gravitatoria recuerda vagamente a la «gravitsapa» de la película «Kin-dza-dza!», pero allí es pura fantasía y aquí es una consecuencia rigurosa de la mecánica cuántica.
Cifras clave
- probabilidad de postselección: 2.5×10⁻⁵
- desplazamiento esperado de la masa de prueba: 1 Å en 10 s
- número de repeticiones necesario: 4×10⁷
- masa de la fuente: 10⁻¹⁴ kg
- distancia entre las masas: 20 μm