Investigadores de El Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), en Estados Unidos, realizó un experimento insólito para confirmar la naturaleza cuántica de la gravedad.
Como parte del experimento, los científicos utilizaron láseres para enfriar un diminuto péndulo de torsión hasta casi el cero absoluto. De este modo, esperan averiguar si la gravedad se comporta como otras fuerzas cuánticas.
La cuestión de cómo funciona la gravedad a nivel cuántico interesa desde hace tiempo a la comunidad científica. Hasta ahora, los científicos no han sido capaces de crear una teoría cuántica de la gravedad.
«Los físicos teóricos han propuesto muchos escenarios posibles — desde la gravedad originalmente clásica hasta la totalmente cuántica, pero el debate sigue sin resolverse porque nunca hemos tenido una forma clara de probar la naturaleza cuántica de la gravedad en el laboratorio. La clave para responder a esta pregunta está en preparar sistemas mecánicos lo suficientemente masivos como para sentir la gravedad, pero lo suficientemente silenciosos — cuánticos — como para mostrar cómo la gravedad interactúa con ellos», — explica Doctor en Ingeniería Mecánica por el MIT Dongcheol Shin.
En un experimento reciente Dongcheol Shin y sus colegas utilizaron láseres para enfriar un diminuto péndulo mecánico de torsión. Es la primera vez que los científicos utilizan láseres para enfriar un mecanismo de este tipo con el fin de demostrar la naturaleza cuántica de la gravedad.
«Los péndulos de torsión han sido herramientas clásicas para la investigación de la gravedad desde el famoso experimento de Cavendish en 1798. Se han utilizado para medir la fuerza gravitatoria G de Newton, probar la ley del cuadrado inverso y buscar nuevos fenómenos gravitatorios. Aplicando a un péndulo de torsión de un centímetro de longitud técnicas de refrigeración por láser desarrolladas originalmente para átomos, intentamos tender un puente entre el mundo clásico y el cuántico. Esta plataforma híbrida nos permite realizar una nueva clase de experimentos — experimentos que por fin nos permitirán probar si la gravedad debe describirse mediante la teoría cuántica», — dice Dongchel Shin.
Como parte del estudio, los científicos utilizaron láseres para enfriar un péndulo de no más de un centímetro de tamaño desde la temperatura ambiente hasta 10 °C milikelvin o -273,14 °C utilizando una palanca óptica de espejo. Según Shin, se trata de una técnica de medición sencilla pero potente. El rayo láser se dirige al espejo, e incluso una ligera inclinación de éste hace que el rayo reflejado se mueva notablemente en el detector. De este modo, los pequeños movimientos angulares se convierten en señales fácilmente medibles.
Mientras tanto, el investigador subrayó que, a pesar de la simplicidad de la idea, los científicos se han enfrentado a dificultades, ya que el rayo láser puede temblar ligeramente debido a corrientes de aire, vibraciones o dispositivos ópticos imperfectos. Esta fluctuación puede confundirse con el movimiento de los espejos y limitar la capacidad de los científicos para medir señales reales. Por ello, los científicos utilizaron una palanca óptica de espejo con una segunda versión reflejada del rayo láser para eliminar las fluctuaciones no deseadas.
«Un rayo interactúa con el péndulo y el otro se refleja en un espejo con un cubo angular, girando cualquier jitter sin recoger el movimiento del péndulo. Cuando los dos haces se combinan en el detector, se conserva la señal real del oscilador y se anula el falso movimiento de la fluctuación del láser», — explica Dongcheol Shin.
Este método redujo el ruido en un factor de mil, lo que permitió a los investigadores detectar el movimiento con notable precisión, casi 10 veces mejor que las propias fluctuaciones cuánticas de punto cero del péndulo. Según Shin, los científicos consiguieron una precisión cuántica limitada por debajo del movimiento de punto cero del péndulo, pero alcanzar el estado cuántico real de tierra sigue siendo el objetivo de los investigadores.
El equipo de científicos planea mejorar aún más la interacción óptica — utilizando un resonador óptico que amplifica las señales angulares o estrategias de captura óptica. Estas mejoras podrían abrir la puerta a experimentos en los que dos osciladores de este tipo interactúen sólo a través de la gravedad, lo que nos permitiría comprobar directamente si la gravedad es cuántica o no.
Los físicos se acercan a la «Teoría del Todo» mediante una nueva explicación de la gravedad
Los resultados del estudio se publicaron en la revista Optica
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