Un nuevo experimento con relojes atómicos busca la consistencia o no de la Mecánica Cuántica en condiciones determinadas por la Teoría de la Relatividad General

 

Nueva propuesta de determinación experimental sobre la congruencia o no de la QM y la GRT.

 

Uno de los problemas irresueltos de la Física actual es encontrar el punto de congruencia, o no, entre las dos teorías sobre el mundo físico que disponemos en la actualidad, la Mecánica Cuántica y la Teoría de la Relatividad General. Especialmente en Astrofísica y Cosmología, la interacción entre estas teorías es que se vuelve decisivamente relevante para poder entender tantos nuevos y no tan nuevos fenómenos astrofísicos, como agujeros negros, agujeros de gusano, agujeros blancos, y el propio comportamiento de estrellas de neutrones, la posible existencia de las estrellas de quarks, etc, etc, etc. Cada día prácticamente se suman nuevos objetos en el espacio cuya naturaleza y comprensión nos es aún esquiva. Lo mismo acontece en Cosmología, cómo entender el origen del universo (si es que lo tuvo), su evolución, su duración y, por supuesto, poder explicar con precisión cómo y por qué lo vemos como lo vemos en la actualidad (refiriéndonos, en este caso, a los objetos galácticos y estelares más cercanos, pero también válido para objetos lejanos) y, en última instancia, cómo podemos predecir su futuro (en el cual nos suponemos incluidos) con cierto grado de precisión, aunque más no sea, cualitativa.

Aparte de todos los intentos teóricos para encontrar un camino que conduzca a la unificación, o cuando menos a la compatibilización entre ambas teorías, se publicó en febrero de 2025 un artículo que encara una forma novedosa de buscar la consistencia de la teoría cuántica en el ámbito de la Relatividad General, basándose en el hecho de que ésta reinterpretó la gravitación como una deformación del espacio-tiempo. Así, por ejemplo, es bien conocido y comprobado que el transcurso del  tiempo experimenta una ralentización dentro de un campo gravitatorio, comparado a su mismo transcurso en un sistema de referencia carente de dicho campo. Esta ralentización es tanto más grande cuanto más cerca se encuentra el sistema de la masa gravitatoria que genera dicho campo. Esto se describe en la ecuación

Δt₀=Δt(1-2φ/c²)^-1/2

Que expresa la dilatación del tiempo Δt medido respecto del tiempo propio Δt₀ del sistema sometido al campo gravitatorio φ. Y, como es sabido, el campo gravitatorio φ se puede resolver en el caso más simple como

Φ=GM/r²

Donde r es la distancia del sistema a la masa gravitatoria M (más específicamente, a su centro de masa).

La propuesta específica es de los científicos Jacob P. Covey, Igor Pikovski y Johannes Borregaard, quienes publicaron el artículo “Probing curved spacetime with a distributed atomic processor clock” en el sitio arxiv.

Ellos dicen: “La dinámica cuántica en el espacio-tiempo curvo nunca se ha investigado directamente más allá del límite newtoniano. Si bien podemos describir dicha dinámica teóricamente, los experimentos proporcionarían evidencia empírica de que la teoría cuántica se mantiene incluso en este límite extremo. El desafío práctico radica en la mínima diferencia de curvatura del espacio-tiempo a lo largo de la escala de longitud de la extensión típica de los efectos cuánticos. Aquí proponemos una red cuántica de procesadores atómicos de tipo alcalinotérreo para construir un estado cuántico distribuido sensible al tiempo propio diferencial entre los nodos de procesadores atómicos que lo constituyen, implementando un observable cuántico afectado por el espacio-tiempo curvo post-newtoniano. Conceptualmente, deslocalizamos un reloj entre tres ubicaciones codificando la presencia o ausencia de un reloj en el estado de los átomos locales. Al separar tres nodos atómicos con diferencias de elevación de escala ∼km y distribuir un reloj entre ellos mediante un estado W, demostramos que la curvatura del espacio-tiempo se manifiesta en la interferencia de los tres tiempos propios diferentes que dan lugar a tres notas rítmicas distintas en nuestro observable no local.”

En el abstract del paper, y luego detallan el procedimiento que se fundamenta en colocar relojes atómicos (cuya precisión en la actualidad alcanza un factor de una parte en 1x10¹⁸) entrelazados en estado de superposición en diferentes posiciones (a diferentes distancias) dentro del campo gravitatorio terrestre, a los efectos de ver la superposición de sus estados cuánticos y observar cuál es el tiempo de retardo, si lo hay, en que vuelven a sincronizarse. Si permanecen sincronizados, o si la sincronización se alcanza en tiempos de retardo suficientemente pequeños podrá observarse la resiliencia de la mecánica cuántica al ser sometida a los efectos de los campos gravitatorios de la Relatividad General, o puede indicar los caminos de las correcciones a la teoría para su validez en campos gravitatorios, o en última instancia, puede mostrar una línea experimental para buscar una formulación de la Relatividad General compatible con efectos cuánticos, o sea, nueva Física. En todo caso este experimento, viable en cuanto utiliza tecnologías de última generación ya presentes, importa una utilización de las mismas de un modo novedoso y original, tendiente a empujar los límites del conocimiento de la Física fundamental de la naturaleza, más allá de las utilidades prácticas que dichas tecnologías constituyen.

Para aclarar un poco la iniciativa, la figura muestra algunos aspectos del experimento.

Sondeo del espacio-tiempo curvo con relojes entrelazados. (a) Tres sistemas de relojes atómicos en ubicaciones que experimentan diferente gravedad local comparten un estado W. (b) Los superátomos GHZ pueden aumentar el ancho de banda al amplificar la diferencia de tiempo propia de la relatividad general Δτ y la no linealidad δΔτ entre diferentes elevaciones, pero no son necesarios por lo demás. (c) El enfoque experimental. Los relojes del procesador atómico en cavidades ópticas incluyen: el superátomo GHZ (puntos morados) y pares auxiliares de Bell de un solo átomo para operaciones no locales (puntos verdes).