La propuesta teórica que permite distinguir y descartar teorías gravitacionales alternativas a la Relatividad General es un hito para la comunidad física.
La gravedad es uno de los fenómenos fundamentales del Universo y desde hace más de un siglo la Teoría General de la Relatividad de Albert Einstein, de 1915, la ha descrito con éxito como una curvatura del espacio-tiempo causada por la masa y energía, siendo confirmada por distintas observaciones como las ondas gravitacionales. Pero no es la única teoría posible, hay varias otras.
¿Cómo determinar cuál es la correcta?, se preguntó un grupo del Instituto Milenio de Investigación en Óptica MIRO y la Universidad de Concepción (UdeC), impulsando un estudio que generó una propuesta teórica de un experimento cuántico para descartar teorías alternativas a la relatividad general para explicar la gravedad y abordar un problema que ha intrigado por años a los físicos.
La investigación duró cerca de dos años y se enmarcó en la tesis de Francisco Lobo para el programa de Magíster en Ciencias Físicas UdeC, y se publicó recientemente con el artículo “Discriminación de teorías métricas” en modalidad libre consulta en Physical Review D.
El doctor Aldo Delgado, director del MIRO y académico del Departamento de Física UdeC, es uno de los coautores del estudio pionero y cuyo principal aporte es que incorpora herramientas de la física cuántica al problema de evaluar las teorías de la gravedad, usando relojes cuánticos. Particularmente, se utilizan técnicas de discriminación de estados cuánticos y testeo cuántico de hipótesis.
“Cuando un sistema cuántico se mueve por el espacio, sus niveles de energía son influenciados por la gravedad, de manera que el estado cuántico se convierte en una firma de la gravedad. Distintas teorías de la gravedad generan distintas firmas, y por medio del testeo cuántico de hipótesis las podemos comparar entre ellas con alto grado de precisión y determinar la firma correcta”, explica.
La prueba diseñada compara lo que predice una teoría con lo que realmente observa, permitiendo determinar si es consistente con cierto nivel de confianza. “Este método puede ser realizado con tecnologías actuales más nuevas tecnologías en desarrollo, como relojes más precisos basados en redes ópticas de átomos o núcleos atómicos”, precisa.
El investigador postdoctoral de MIRO y coautor del estudio, doctor Marco Rivera, añade que se emplearon herramientas teóricas y computacionales avanzadas: “usamos teoría cuántica de campos para obtener una versión relativista de la ecuación de Schrödinger en condiciones similares a las de la Tierra, y luego estudiamos cómo evoluciona un reloj cuántico en ese contexto”.
En ese proceso aparece el fenómeno de “dilación temporal gravitacional”, que depende de parámetros específicos de cada teoría de gravedad. Y usando teoría de discriminación de estados para distinguir relojes cuánticos surgió la capacidad de diferenciar las teorías gravitacionales.
El equipo sabe que desde la ciencia local lograron un hito en la comunidad física global.
“En el extranjero hay grupos trabajando en problemas similares, pero ninguno ha abordado el problema en cuestión. De hecho, en algunas conferencias nos encontramos con investigadores que pensaban que no era posible distinguir entre teorías alternativas”, sostiene Delgado.
A partir del trabajo, del resultado y lo que aprendieron para lograrlo, se impulsa el interés de seguir avanzando y se han abierto varias interrogantes para nuevos estudios.
En concreto, se espera avanzar con nuevos experimentos para poner a prueba la Relatividad General y a largo plazo explorar posibles propiedades cuánticas del campo gravitacional.
Además, se estima que los avances puedan abrir puertas a nuevas aplicaciones prácticas, como convertir el tiempo en una herramienta de exploración geológica. “Si usamos relojes cuánticos extremadamente precisos, podríamos detectar pequeñas variaciones en la gravedad causadas por cambios de densidad bajo la superficie terrestre. Esto permitiría localizar recursos como agua o minerales sin necesidad de excavar”, plantea Rivera.
“Sin gravedad no habría planeta Tierra ni existiríamos nosotros. La gravedad es responsable de cómo evoluciona el Universo, de cómo orbita la Tierra alrededor del Sol y de cómo permanecemos sobre ella mientras ésta gira”, explica el doctor Marcos Rivera sobre lo fundamental de este fenómeno para el Universo, el planeta, la naturaleza y la humanidad, su importancia para la vida en lo más cotidiano y para la ciencia en torno a preguntas aún sin respuesta.
En términos concretos, expone que el entendimiento sobre la gravedad se ha ido transformando en la medida que el conocimiento del espacio mejora, y que actualmente desde lo científico y técnico se concibe como la curvatura del espacio-tiempo que dicta cómo se mueven los cuerpos y la luz.
“En nuestra experiencia diaria la podemos entender como una fuerza de atracción entre masas, como por ejemplo la Tierra y nosotros, o la Tierra y el Sol”, apunta. Por ejemplo, la fuerza de gravedad permite que estemos de pie sobre el suelo.
Y es por ello que para la ciencia es crucial entender el mecanismo de este fenómeno fundamental desde distintos puntos de vista, de lo macro a lo micro, como también corroborar o determinar teorías gravitacionales.
“En el mundo macro la importancia radica en comprender la estructura misma del Universo, hacia dónde vamos y por qué estamos aquí; sin entender la gravedad no entenderíamos las estaciones ni las mareas. En el mundo micro, a través de la mecánica cuántica, entender cómo las reglas de los átomos y moléculas se acoplan a las de la gravedad es uno de los desafíos más importantes de la física moderna”, detalla el investigador postdoctoral del MIRO.
En este sentido, declara que desde tiempos tempranos la humanidad ha tenido asombro por los astros y el firmamento, y curiosidad con comprender el Universo y la naturaleza del que es parte con todos sus fenómenos y el lugar que se ocupa en éste. Eso ha llevado a cuestionar y explorar, avanzar en el conocimiento y la ciencia, y así también nuevas tecnologías. Y mientras se halla una respuesta, los saberes se expanden y también el desarrollo de herramientas tecnológicas, se abren nuevas preguntas y nuevas oportunidades para seguir explorando y conociendo.
Y eso es lo que ha llevado a generar y consolidar los conocimientos e investigación sobre la gravedad a lo largo de siglos de historia hasta ahora.
“La ciencia ha seguido avanzando y, en particular, el control preciso de sistemas atómicos y de la luz nos ofrece nuevas herramientas para poner a prueba la gravedad y, quizás, encontrar el camino hacia una nueva teoría de la gravitación”, cierra.