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Artículo original publicado por Elizabeth Gibney el 17 de junio de 2015 en Nature News

Los teóricos defienden que un espacio-tiempo curvado evita las superposiciones cuánticas de objetos a gran escala.

Si el gato del famoso experimento mental de Erwin Schrödinger se comportase de acuerdo con la teoría cuántica, podría existir en varios estados a la vez: tanto vivo, como muerto. La explicación habitual que dan los físicos a por qué no vemos estas superposiciones cuánticas — en gatos o en cualquier otro aspecto del mundo cotidiano — es la interferencia con el entorno. Tan pronto como un objeto cuántico interactúa con una partícula aislada o pasa a través de un campo, cae en un estado, colapsando en nuestra visión clásica y cotidiana.

schrodinger cat

Pero incluso si los físicos pudiesen aislar completamente un gran objeto en una superposición cuántica, de acuerdo con investigadores de la Universidad de Viena, seguiría colapsando en un estado – al menos, en la superficie de la Tierra. “En algún lugar del espacio interestelar podría ser que el gato tuviese una oportunidad de conservar la coherencia cuántica pero, en la Tierra, hay pocas esperanzas de que estos suceda”, dice Igor Pikovski. La razón, afirma, es la gravedad.

La idea de Pikovski y sus colegas, plasmada en un artículo publicado en Nature Physics el pasado 15 de junio1, es, actualmente, sólo un argumento matemático. Pero los experimentadores esperan poner a prueba si la gravedad realmente colapsa las superposiciones cuánticas, dice Hendrik Ulbricht, físico experimental en la Universidad de Southampton, en el Reino Unido. “Esta idea es nueva y genial, y estoy listo para tratar de verla en experimentos”, comenta. Ensamblar la tecnología para realizarlos, no obstante, puede llevar hasta una década, señala.

Los aficionados al cine que hayan visto la película Interstellar ya están familiarizados con el principio básico que subyace al trabajo del equipo de Viena. La Teoría General de la Relatividad de Einstein afirma que un objeto extremadamente masivo provoca que un reloj que se encuentre cerca avance más lentamente, debido a que el potente campo gravitatorio estira el tejido del espacio-tiempo (que es la razón por la que un personaje de la película envejece sólo una hora cerca de un agujero negro, mientras que en la Tierra han transcurrido siete años). A una escala más sutil, una molécula situada cerca de la superficie de la Tierra experimenta un envejecimiento sensiblemente menor que una situada ligeramente más lejos.

Debido al efecto de la gravedad en el espacio-tiempo, el equipo de Pikovski se dio cuenta de que la varianza en la posición de una molécula también influirá en su energía interna (las vibraciones de las partículas en el interior de la molécula, que evolucionan con el tiempo). Si se colocase una molécula en una superposición cuántica de dos lugares, la correlación entre la posición y la energía interna pronto provocaría que se aplicara la decoherencia a la molécula, tomando un único camino, sugieren. “En la mayor parte de situaciones, la decoherencia se debe a algo externo; aquí, se ve como la vibración interna interactúa con el movimiento de la propia partícula”, añade Pikovski.

Un límite práctico

Nadie ha visto por el momento este efecto, debido a que otras fuentes de decoherencia — tales como campos magnéticos, radiación térmica y vibraciones — son, normalmente, mucho más fuertes y provocan que el sistema cuántico colapse mucho antes de que la gravedad sea un problema. Pero los experimentadores están deseando intentarlo.

Markus Arndt, físico experimental también en la Universidad de Viena, ya ha puesto a prueba si pueden observarse superposiciones cuánticas en objetos grandes, aunque no del tamaño de un gato (ver engordando al gato de Schrödinger). Envía grandes moléculas a través de un interferómetro de materia-onda, un sistema que da a cada molécula una elección entre dos rutas distintas. En la visión clásica, una molécula viaja a lo largo de un único camino; una molécula cuántica pasa de manera efectiva a través de ambas rutas a la vez e interfiere consigo misma para crear un patrón ondulatorio característico.

Una configuración similar podría usarse para poner a prueba la capacidad de la gravedad para destruir el comportamiento cuántico: comparando un interferómetro vertical, en el cual la superposición se perdería pronto debido al estiramiento del tiempo en uno de los caminos respecto a otro, con una configuración horizontal, donde podría mantenerse la superposición. Arndt, que ha puesto a prueba el efecto para moléculas de hasta 810 átomos2, señala que las moléculas grandes serían buenas para poner a prueba el efecto gravitatorio debido a que contienen muchas partículas que contribuyen a la energía interna. Pero los investigadores no sólo tienen que suprimir el entorno externo para reducir otros efectos de decoherencia, sino que también tendrían que aumentar la separación entre las dos rutas de micrómetros a metros, o usar moléculas 1 millón de veces más masivas. “Ciertamente, es un gran desafío”, dice Arndt.

Si el efecto de la gravedad limita el comportamiento cuántico en la Tierra, las pruebas sobre realidad cuántica en objetos grandes pueden, finalmente, tener que moverse al espacio, dice Angelo Bassi, físico en la Universidad de Trieste en Italia. “Pero desde un punto de vista profundo y fundamental, esto no es nada nuevo”, señala. Un campo gravitatorio simplemente es otro elemento del entorno con el que interactuar, por lo que aplicarlo no explica si el comportamiento cuántico derivaría en una realidad clásica si se mitigase la influencia gravitatoria — por ejemplo, realizando el experimento en el espacio, libre de influencia gravitatoria.

El efecto descrito por Pikovski y sus colegas tampoco dice nada sobre la gravedad cuántica: una teoría que unificaría la gravedad y la mecánica cuántica en una única descripción, algo en lo que trabajan muchos investigadores. “Es un efecto interesante, pero sigue siendo física cuántica aplicada a la relatividad general clásica. De este modo, no modifica nuestra visión del mundo”, concluye Bassi.

Referencias

Nature doi:10.1038/nature.2015.17773

1- Pikovski, I., Zych, M., Costa, F. & Brukner, Č. Nature Phys. http://dx.doi.org/10.1038/nphys3366 (15 June 2015).

2- Eibenberger, S. et al Phys. Chem. Chem. Phys. 15 14696–14700 2013

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