Poniendo a prueba a Einstein

Uno de los retos fundamentales de la física es la reconciliación de la teoría de la relatividad y la mecánica cuántica de Einstein. La necesidad de cuestionar críticamente estos dos pilares de la física moderna surge, por ejemplo, de los eventos de energía extremadamente alta que se producen en el cosmos, que hasta ahora sólo pueden ser explicados por una teoría a la vez, pero no por ambas teorías en armonía. Por lo tanto, los investigadores de todo el mundo están buscando desviaciones de las leyes de la mecánica cuántica y la relatividad que podrían abrir la comprensión de un nuevo campo de la física.

En una reciente publicación, científicos de la Universidad Leibniz de Hannover y de la Universidad de Ulm han examinado la paradoja de los gemelos, conocida por la teoría especial de la relatividad de Einstein. Este experimento de pensamiento gira en torno a un par de gemelos: mientras un hermano viaja al espacio, el otro permanece en la Tierra. En consecuencia, durante un cierto período de tiempo, los gemelos se mueven en diferentes órbitas en el espacio. El resultado cuando la pareja se encuentra de nuevo es bastante sorprendente: el gemelo que ha estado viajando por el espacio ha envejecido mucho menos que su hermano que se quedó en casa. Este fenómeno se explica por la descripción de Einstein de la dilatación del tiempo: Dependiendo de la velocidad y del lugar del campo gravitatorio donde se mueven dos relojes en relación al otro, estos avanzan a diferentes velocidades.

Para la publicación en la revista Science Advances, los autores asumieron una variante cuántico-mecánica de la paradoja de los gemelos en la que solo había un solo "gemelo". Gracias al principio de superposición de la mecánica cuántica, este 'gemelo' puede moverse por dos caminos al mismo tiempo. En el experimento de pensamiento de los investigadores, el gemelo está representado por un reloj atómico. "Estos relojes utilizan las propiedades cuánticas de los átomos para medir el tiempo con gran precisión. El reloj atómico en sí mismo es, por lo tanto, un objeto de mecánica cuántica y puede moverse a través del espacio-tiempo en dos caminos simultáneamente debido al principio de superposición. Junto con los colegas de Hannover, hemos investigado cómo se puede realizar esta situación en un experimento", explica el Dr. Enno Giese, asistente de investigación del Instituto de Física Cuántica de Ulm. Con este fin, los investigadores han desarrollado un montaje experimental para este escenario sobre la base de un modelo de física cuántica.

Diagrama espacio-tiempo que muestra al gemelo alejarse (primer tramo línea negra) y regresar a la Tierra. En este diagrama la posición de la Tierra en cada instante se mueve a lo largo del eje vertical. La distancia entre la última línea azul y la primera roja representa no envejecido el tiempo ganado por el viajero. (Foto: Bartosz/Wikimedia Commons/CC BY-SA 3.0)

El experimento para demostrar a Einstein

Una "fuente atómica" de 10 metros de altura, que se está construyendo actualmente en la Universidad Leibniz de Hannover, desempeña un papel esencial en este esfuerzo. En este interferómetro atómico y con el uso de objetos cuánticos como el reloj atómico, los investigadores pueden probar los efectos relativistas, incluyendo la dilatación del tiempo descrita en la paradoja de los gemelos que explicó Einstein. “En un experimento, enviaríamos un reloj atómico al interferómetro. La pregunta crucial es entonces: ¿bajo qué condiciones se puede medir una diferencia de tiempo después del experimento, durante el cual el reloj está después de todo simultáneamente en dos órbitas?”, explica Sina Loriani del Instituto de Óptica Cuántica de la Universidad Leibniz de Hannover.

El trabajo preliminar teórico de los físicos de Ulm y Hannover es muy prometedor: como se ha descrito, han desarrollado un modelo físico cuántico para el interferómetro atómico, que tiene en cuenta la interacción entre los láseres y los átomos, así como el movimiento de los átomos, al tiempo que se tienen en cuenta las correcciones relativistas. “Con la ayuda de este modelo, podemos describir un reloj atómico que se mueve simultáneamente a lo largo de dos caminos en una superposición espacial. Además, demostramos que un interferómetro atómico, como el que se está construyendo en Hannover, puede medir el efecto de la dilatación especial del tiempo relativista en un reloj atómico", recapitula Alexander Friedrich, un investigador doctoral del Instituto de Física Cuántica de Ulm. Basándose en sus consideraciones teóricas, los investigadores ya pueden hacer la suposición de que un único reloj atómico se comporta como se predice en la doble paradoja: la teoría de la relatividad de Einstein y la mecánica cuántica son, por lo tanto, efectivamente reconciliables en este escenario. Sin embargo, la influencia de la gravedad, tal como la asumen otros grupos, no parece verificable en una propuesta experimental de este tipo.

Se prevé que el experimento descrito teóricamente se pondrá a prueba en el nuevo interferómetro atómico de Hannover dentro de unos años. En la práctica, los hallazgos de los científicos podrían ayudar a mejorar las aplicaciones basadas en los interferómetros atómicos, como la navegación o las mediciones de aceleración y rotación. Las investigaciones de los físicos de Ulm y Hannover son el resultado de la colaboración entre el Centro de Investigación DQ-mat (Hannover) y el proyecto QUANTUS, y se continuarán en colaboración con los nuevos institutos del Centro Aeroespacial Alemán (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt; abreviado: DLR) en Ulm y Hannover. (Fuente: NCYT Amazings)