Los físicos quieren unificar la teoría general de la relatividad y la mecánica cuántica desde hace algo más de un siglo
Este experimento ha logrado medir la rotación de la Tierra con una precisión mil veces más alta que otros interferómetros
La relatividad general y la mecánica cuántica son bellísimas. Perfectas en sí mismas, y, sin embargo, incompatibles. Reconciliar la descripción de lo muy grande y lo muy pequeño no es nada fácil. De hecho, los físicos teóricos coquetean con la idea de unificar la teoría general de la relatividad y la mecánica cuántica desde hace algo más de un siglo. Prácticamente desde el mismo instante en el que ambas ramas de la física vieron la luz a principios del siglo XX.
Aún no lo han conseguido. Y no lo han hecho porque estamos ante el que muchos investigadores consideran el mayor desafío de la física moderna. La relatividad general se ocupa, a grandes rasgos, de describir la interacción entre la materia (o la energía) y el continuo espacio-tiempo. De esta teoría del campo gravitatorio publicada por Albert Einstein en 1915 se desprende que la materia curva el espacio-tiempo, alterando su geometría, lo que a su vez condiciona la trayectoria tanto de los objetos móviles como de la luz.
La mecánica cuántica, en cambio, se ocupa de lo muy pequeño. Del mundo de las partículas y las interacciones a las que están expuestas las estructuras atómicas y subatómicas. Y la mayor parte de esas reglas son radicalmente diferentes a las leyes con las que estamos familiarizados. Richard Feynman y otros físicos han defendido con vehemencia que intentar entender esta rama de la física es un esfuerzo vano. Sus leyes son tan distintas a las que estamos acostumbrados a observar en el mundo macroscópico que escapan a nuestra comprensión.
El entrelazamiento cuántico de pares de fotones ha permitido medir la rotación de la Tierra
Suena a ciencia ficción, pero no. Es ciencia. Y es que un equipo de físicos de la Universidad de Viena (Austria) liderado por el profesor Philip Walther ha llevado a cabo con éxito un experimento asombroso. Lo que ha conseguido es medir el efecto que tiene la rotación de la Tierra sobre varios pares de fotones entrelazados. Antes de seguir adelante nos interesa repasar que el entrelazamiento es un fenómeno cuántico sin equivalencia en la física clásica en el que el estado de los sistemas cuánticos involucrados, que pueden ser dos o más, es el mismo.
Esto significa que estos objetos, en realidad, forman parte de un mismo sistema, incluso aunque estén separados físicamente. De hecho, la distancia no importa. Si dos partículas, objetos o sistemas están entrelazados mediante este fenómeno cuántico, cuando midamos las propiedades físicas de uno de ellos estaremos condicionando instantáneamente las propiedades físicas del otro sistema con el que está entrelazado. Incluso aunque esté en la otra punta del Universo.
Para llevar a cabo su experimento Philip Walther y su equipo han utilizado un interferómetro óptico de Sagnac, que es el dispositivo más sensible a las rotaciones que existe. Todos ellos son sofisticados, pero los que utilizan el entrelazamiento cuántico lo son aún más. Si dos o más partículas están entrelazadas solo se conoce su estado global. El estado de cada una de las partículas permanece indeterminado hasta que se lleva a cabo la medición. No obstante, estos físicos de la Universidad de Viena necesitaban un nivel de precisión sin precedentes, así que decidieron construir un interferómetro de fibra óptica de Sagnac gigantesco.
El siguiente paso de su plan requería mantener el nivel de ruido lo más bajo posible y durante tanto tiempo como fuese posible. Y es que solo así podrían detectar suficientes pares de fotones entrelazados de alta calidad para medir la rotación de la Tierra con más precisión que la que habían alcanzado previamente otros interferómetros de Sagnac. Su esfuerzo mereció la pena. Y es que finalmente el dispositivo que pusieron a punto les ha permitido medir la rotación con una precisión mil veces más alta que otros interferómetros.
Lo más importante es que este experimento confirma la interacción entre los sistemas de referencia en rotación y el entrelazamiento cuántico. Y lo hace con una precisión inédita. Esta declaración de Philip Walther expresa con claridad por qué este experimento es tan importante: "Creo que nuestro resultado y nuestra metodología sentarán las bases para futuras mejoras en la sensibilidad de los sensores que utilizan el entrelazamiento. Esto podría despejar el camino a futuros experimentos capaces de probar el comportamiento del entrelazamiento cuántico a través de la curvatura del continuo espacio-tiempo". Ahí queda eso.
Imagen | Raffaele Silvestri - Universidad de Viena
Más información | Universidad de Viena
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