Los Físicos Han Encontrado Una Manera De Ver La "sonrisa" De La Gravedad Cuántica - Vista Alternativa

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Los Físicos Han Encontrado Una Manera De Ver La "sonrisa" De La Gravedad Cuántica - Vista Alternativa
Los Físicos Han Encontrado Una Manera De Ver La "sonrisa" De La Gravedad Cuántica - Vista Alternativa

Vídeo: Los Físicos Han Encontrado Una Manera De Ver La "sonrisa" De La Gravedad Cuántica - Vista Alternativa

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En 1935, cuando la mecánica cuántica y la teoría general de la relatividad de Einstein eran muy jóvenes, el no tan famoso físico soviético Matvey Bronstein, a la edad de 28 años, realizó el primer estudio detallado sobre la reconciliación de estas dos teorías en la teoría cuántica de la gravedad. Esta, "quizás la teoría del mundo entero", como escribió Bronstein, podría suplantar la descripción clásica de la gravedad de Einstein, en la que se ve como curvas en el continuo espacio-tiempo, y reescribirla en lenguaje cuántico, como todas las demás físicas.

Bronstein descubrió cómo describir la gravedad en términos de partículas cuantificadas, ahora llamadas gravitones, pero solo cuando la fuerza de la gravedad es débil, es decir (en la relatividad general) cuando el espacio-tiempo está tan débilmente curvado que es prácticamente plano. Cuando la gravedad es fuerte, "la situación es completamente diferente", escribió el científico. "Sin una revisión profunda de los conceptos clásicos, parece casi imposible presentar una teoría cuántica de la gravedad en esta área".

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Sus palabras fueron proféticas. Ochenta y tres años después, los físicos todavía están tratando de comprender cómo la curvatura del espacio-tiempo se manifiesta en una escala macroscópica, derivada de la imagen más fundamental y supuestamente cuántica de la gravedad; quizás la pregunta más profunda de la física. Quizás, si hubiera una posibilidad, la brillante cabeza de Bronstein aceleraría el proceso de esta búsqueda. Además de la gravedad cuántica, también hizo contribuciones a la astrofísica y la cosmología, la teoría de los semiconductores, la electrodinámica cuántica y escribió varios libros para niños. En 1938 cayó bajo la represión estalinista y fue ejecutado a la edad de 31 años.

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La búsqueda de una teoría completa de la gravedad cuántica se complica por el hecho de que las propiedades cuánticas de la gravedad nunca se manifiestan en la experiencia real. Los físicos no ven cómo se viola la descripción de Einstein de un continuo espacio-tiempo suave, o la aproximación cuántica de Bronstein en un estado ligeramente curvado.

El problema radica en la extrema debilidad de la fuerza gravitacional. Mientras que las partículas cuantificadas que transmiten fuerzas fuertes, débiles y electromagnéticas son tan fuertes que unen fuertemente la materia en átomos y pueden examinarse literalmente con una lupa, los gravitones individualmente son tan débiles que los laboratorios no tienen ninguna posibilidad de detectarlos. Para atrapar un gravitón con un alto grado de probabilidad, el detector de partículas debe ser tan grande y masivo que colapse en un agujero negro. Esta debilidad explica por qué se necesitan acumulaciones de masa astronómica para influir en otros cuerpos masivos a través de la gravedad, y por qué vemos efectos gravitacionales a escalas enormes.

Esto no es todo. El universo parece estar sujeto a algún tipo de censura cósmica: las áreas de fuerte gravedad, donde las curvas del espacio-tiempo son tan nítidas que las ecuaciones de Einstein fallan y la naturaleza cuántica de la gravedad y el espacio-tiempo deben ser reveladas, siempre se esconden detrás de los horizontes de los agujeros negros.

“Incluso hace unos años había un consenso general de que era muy probable que fuera imposible medir la cuantificación del campo gravitacional de ninguna manera”, dice Igor Pikovsky, físico teórico de la Universidad de Harvard.

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Y aquí hay algunos artículos recientes publicados en Physical Review Letters que han cambiado la situación. Estos trabajos afirman que es posible llegar a la gravedad cuántica, incluso sin saber nada al respecto. Los artículos, escritos por Sugato Bose de University College London y Chiara Marletto y Vlatko Vedral de la Universidad de Oxford, proponen un experimento técnicamente desafiante pero factible que podría confirmar que la gravedad es una fuerza cuántica como todos los demás sin requerir la detección de gravitón. Miles Blencoe, un físico cuántico del Dartmouth College que no participó en el trabajo, dice que tal experimento podría revelar un rastro claro de gravedad cuántica invisible: la "sonrisa del gato de Cheshire".

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El experimento propuesto determinará si dos objetos (el grupo Bose planea usar un par de microdiamantes) se entrelazan mecánicamente cuánticamente entre sí en el proceso de atracción gravitacional mutua. El entrelazamiento es un fenómeno cuántico en el que las partículas se entrelazan de forma inseparable, compartiendo una única descripción física que define sus posibles estados combinados. (La coexistencia de diferentes estados posibles se denomina "superposición" y define un sistema cuántico). Por ejemplo, puede existir un par de partículas entrelazadas en una superposición, en la que la partícula A girará de abajo hacia arriba con una probabilidad del 50%, y B - de arriba hacia abajo, y viceversa con una probabilidad del 50%. Nadie sabe de antemano qué resultado obtendrá al medir la dirección del giro de las partículas, pero puede estar seguro de queque ellos tendrán lo mismo.

Los autores argumentan que dos objetos en el experimento propuesto pueden enredarse de esta manera solo si la fuerza que actúa entre ellos, en este caso la gravedad, es una interacción cuántica mediada por gravitones que pueden soportar superposiciones cuánticas. “Si se lleva a cabo un experimento y se obtiene un entrelazamiento, según el artículo, se puede concluir que la gravedad está cuantificada”, explicó Blenkow.

Enredar el diamante

La gravedad cuántica es tan sutil que algunos científicos han cuestionado su existencia. El renombrado matemático y físico Freeman Dyson, de 94 años, ha argumentado desde 2001 que el universo puede soportar una especie de descripción "dualista", en la que "el campo gravitacional descrito por la teoría general de la relatividad de Einstein será un campo puramente clásico sin ningún comportamiento cuántico". y toda la materia en este continuo espacio-tiempo suave será cuantificada por partículas que obedecen las reglas de probabilidad.

Dyson, quien ayudó 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, no cree que la gravedad cuántica sea necesaria para describir las profundidades inalcanzables de los agujeros negros. Y también cree que detectar un gravitón hipotético puede ser imposible en principio. En este caso, dice, la gravedad cuántica será metafísica, no física.

No es el único escéptico. El famoso físico inglés Sir Roger Penrose y el científico húngaro Lajos Diosi asumieron independientemente que el espacio-tiempo no podía soportar la superposición. Creen que su naturaleza suave, sólida y fundamentalmente clásica evita que se doble en dos caminos posibles al mismo tiempo, y es esta rigidez la que conduce al colapso de las superposiciones de sistemas cuánticos como electrones y fotones. La "decoherencia gravitacional", en su opinión, permite que ocurra una realidad única, sólida, clásica, que se puede sentir a escala macroscópica.

Encontrar una "sonrisa" de gravedad cuántica parecería refutar el argumento de Dyson. También acaba con la teoría de la decoherencia gravitacional al mostrar que la gravedad y el espacio-tiempo sí apoyan superposiciones cuánticas.

Las propuestas de Bose y Marletto aparecieron simultánea y completamente por accidente, aunque los expertos señalan que reflejan el espíritu de la época. Los laboratorios experimentales de física cuántica de todo el mundo están colocando objetos microscópicos cada vez más grandes en superposiciones cuánticas y optimizando los protocolos de prueba para el entrelazamiento de dos sistemas cuánticos. El experimento propuesto necesitaría combinar estos procedimientos, al tiempo que requeriría más mejoras en escala y sensibilidad; podría llevar diez años. "Pero no hay un callejón sin salida físico", dice Pikovsky, quien también está explorando cómo los experimentos de laboratorio podrían probar los fenómenos gravitacionales. "Creo que es difícil, pero no imposible".

Este plan se describe con más detalle en el trabajo de los once expertos de Bose et al. De Ocean para las diferentes fases de la propuesta. Por ejemplo, en su laboratorio de la Universidad de Warwick, el coautor Gavin Morley está trabajando en la primera etapa, tratando de poner un microdiamante en una superposición cuántica en dos lugares. Para hacer esto, encerrará un átomo de nitrógeno en un micro-diamante, junto a una vacante en la estructura del diamante (el llamado centro NV, o una vacante sustituida con nitrógeno en un diamante), y lo cargará con un pulso de microondas. Un electrón que gira alrededor del centro NV absorbe luz simultáneamente y no lo hace, y el sistema entra en una superposición cuántica de dos direcciones de giro, hacia arriba y hacia abajo, como una parte superior que gira en el sentido de las agujas del reloj con una cierta probabilidad y en el sentido contrario a las agujas del reloj con una cierta probabilidad. Un micro-diamante cargado con este giro de superposición se expone a un campo magnético,lo que hace que el giro superior se mueva hacia la izquierda y el giro inferior hacia la derecha. El diamante en sí se divide en una superposición de dos trayectorias.

En un experimento completo, los científicos tienen que hacer todo esto con dos diamantes (rojo y azul, por ejemplo) ubicados uno al lado del otro en un vacío ultrafrío. Cuando la trampa que los sostiene se apaga, dos micro-diamantes, cada uno en una superposición de dos posiciones, caerán verticalmente en el vacío. A medida que caen los diamantes, sentirán la gravedad de cada uno de ellos. ¿Qué tan fuerte será su atracción gravitacional?

Si la gravedad es una interacción cuántica, la respuesta es: dependiendo de qué. Cada componente de la superposición del diamante azul experimentará una atracción más fuerte o más débil hacia el diamante rojo, dependiendo de si este último está en la rama de superposición que está más cerca o más lejos. Y la gravedad que sentirá cada componente de la superposición de un diamante rojo depende de manera similar del estado del diamante azul.

En cada caso, diferentes grados de atracción gravitacional afectan los componentes en evolución de las superposiciones de diamantes. Dos diamantes se vuelven interdependientes porque sus estados solo pueden determinarse en combinación, si esto significa que, por lo tanto, en última instancia, las direcciones de los espines de los dos sistemas de centros NV se correlacionarán.

Después de que los microdiamantes caen uno al lado del otro durante tres segundos, lo suficiente como para enredarse en la gravedad, pasan a través de otro campo magnético, que alineará nuevamente las ramas de cada superposición. El paso final del experimento es el protocolo de testigos de entrelazamiento desarrollado por la física danesa Barbara Teral y otros: diamantes azules y rojos entran en diferentes dispositivos que miden las direcciones de giro de los sistemas centrales de NV. (La medición conduce al colapso de superposiciones en ciertos estados). Luego se comparan los dos resultados. Al ejecutar el experimento una y otra vez y comparar múltiples pares de medidas de espín, los científicos pueden determinar si los espines de dos sistemas cuánticos estaban correlacionados entre sí con más frecuencia que definir un límite superior para los objetos que no están entrelazados mecánicamente cuánticamente. Si es así,la gravedad enreda los diamantes y puede mantener la superposición.

“Lo interesante de este experimento es que no es necesario saber qué es la teoría cuántica”, dice Blenkow. "Todo lo que se necesita es afirmar que hay algún aspecto cuántico en esta área que está mediado por la fuerza entre las dos partículas".

Hay muchas dificultades técnicas. El objeto más grande que se ha superpuesto en dos lugares antes es una molécula de 800 átomos. Cada micro-diamante contiene más de 100 mil millones de átomos de carbono, suficiente para generar una fuerza gravitacional tangible. Desembalar su naturaleza mecánica cuántica requerirá bajas temperaturas, vacío profundo y un control preciso. “Hay mucho trabajo involucrado en configurar la superposición inicial y el disparo”, dice Peter Barker, miembro de un equipo experimental que está mejorando las técnicas de captura de micro-diamantes y enfriamiento láser. Si pudiera hacerse con un diamante, agrega Bose, "el segundo no será un problema".

¿Qué hace que la gravedad sea única?

Los investigadores de la gravedad cuántica no tienen ninguna duda de que la gravedad es una interacción cuántica que puede causar entrelazamientos. Por supuesto, la gravedad es algo única y todavía hay mucho que aprender sobre los orígenes del espacio y el tiempo, pero la mecánica cuántica definitivamente debería estar involucrada, dicen los científicos. "Bueno, en realidad, ¿cuál es el punto en una teoría en la que la mayor parte de la física es cuántica y la gravedad es clásica?", Dice Daniel Harlow, investigador de gravedad cuántica en el MIT. Los argumentos teóricos en contra de los modelos clásicos cuánticos mixtos son muy sólidos (aunque no concluyentes).

Por otro lado, los teóricos se han equivocado antes. “Si puede comprobarlo, ¿por qué no? Si silencia a estas personas que cuestionan la cuantía de la gravedad, sería genial”, dijo Harlow.

Después de leer los artículos, Dyson escribió: "El experimento propuesto es, sin duda, de gran interés y debe llevarse a cabo en un sistema cuántico real". Sin embargo, señala que la dirección de pensamiento de los autores sobre los campos cuánticos es diferente a la suya. “No me queda claro si este experimento puede resolver la cuestión de la existencia de la gravedad cuántica. La pregunta que hice, si observamos un gravitón separado, es otra pregunta y puede tener una respuesta diferente ".

La línea de pensamiento de Bose, Marletto y sus colegas sobre la gravedad cuantizada proviene del trabajo de Bronstein ya en 1935. (Dyson llamó al trabajo de Bronstein "un trabajo hermoso" que no había visto antes). En particular, Bronstein demostró que la gravedad débil generada por una masa baja puede aproximarse mediante la ley de gravitación de Newton. (Esta es la fuerza que actúa entre superposiciones de microdiamantes). Según Blencoe, los cálculos de la gravedad cuantificada débil no se han realizado particularmente, aunque ciertamente son más relevantes que la física de los agujeros negros o el Big Bang. Espera que la nueva propuesta experimental anime a los teóricos a buscar sutiles refinamientos a la aproximación newtoniana, que los futuros experimentos de sobremesa podrían intentar probar.

Leonard Susskind, un renombrado teórico de la gravedad cuántica y de cuerdas en la Universidad de Stanford, vio el valor del experimento propuesto porque "proporciona observaciones 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 una teoría completa de la gravedad cuántica o el espacio-tiempo. A él y a sus colegas les gustaría comprender qué está sucediendo en el centro de un agujero negro y en el momento del Big Bang.

Quizás una de las pistas de por qué la gravedad es mucho más difícil de cuantificar que cualquier otra cosa es que otras fuerzas de la naturaleza se denominan "localidad": las partículas cuánticas en una región del campo (fotones en un campo electromagnético, por ejemplo) son "independientes de otras entidades físicas en otra área del espacio”, dice Mark van Raamsdonk, teórico de la gravedad cuántica de la Universidad de Columbia Británica. "Pero hay mucha evidencia teórica de que la gravedad no funciona de esa manera".

En los mejores modelos de arena de la gravedad cuántica (con geometrías espacio-temporales simplificadas), es imposible suponer que la tela del espacio-tiempo en forma de cinta se divide en piezas tridimensionales independientes, dice van Raamsdonk. En cambio, la teoría moderna sugiere que los constituyentes fundamentales subyacentes del espacio están "más bien organizados en dos dimensiones". El tejido del espacio-tiempo puede ser como un holograma o un videojuego. "Aunque la imagen es tridimensional, la información se almacena en un chip de computadora bidimensional". En este caso, el mundo tridimensional será una ilusión en el sentido de que sus diversas partes no son tan independientes. Al igual que en un videojuego, unos pocos bits en un chip bidimensional pueden codificar las funciones globales de todo el universo del juego.

Y esta diferencia importa cuando intentas crear una teoría cuántica de la gravedad. El enfoque habitual para cuantificar algo es definir sus partes independientes (partículas, por ejemplo) y luego aplicarles la mecánica cuántica. Pero si no identifica los componentes correctos, terminará con las ecuaciones incorrectas. La cuantificación directa del espacio tridimensional que Bronstein quería hacer funciona hasta cierto punto con una gravedad débil, pero resulta inútil cuando el espacio-tiempo es muy curvo.

Algunos expertos dicen que presenciar la "sonrisa" de la gravedad cuántica puede motivar este tipo de razonamiento abstracto. Después de todo, incluso los argumentos teóricos más ruidosos sobre la existencia de la gravedad cuántica no están respaldados por evidencia experimental. Cuando van Raamsdonk explica su investigación en un coloquio de científicos, dice, por lo general comienza diciendo cómo la gravedad debe repensarse con la mecánica cuántica porque la descripción clásica del espacio-tiempo se rompe en los agujeros negros y el Big Bang.

“Pero si haces este simple experimento y muestras que el campo gravitacional estaba en superposición, el fracaso de la descripción clásica se vuelve obvio. Porque habrá un experimento que implica que la gravedad es cuántica.

Basado en materiales de Quanta Magazine

Ilya Khel

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