El físico Markus Aspelmeyer recuerda claramente el día, hace casi una década, en que un visitante de su laboratorio decretó que la atracción gravitatoria de su silla de oficina era demasiado débil para medirla. Medible o no, esa fuerza sin duda debía existir. Desde que Isaac Newton publicara sus principios en 1687, los físicos entienden que la gravedad es universal: cualquier objeto ejerce una fuerza gravitatoria proporcional a su masa sobre todo lo que le rodea.

El comentario del visitante solo pretendía devolver a la realidad una conversación cada vez más extravagante, pero Aspelmeyer, profesor de la Universidad de Viena, se lo tomó como un reto. «Adopté una resolución: “¡No solo voy a medir el campo gravitatorio de esta silla, sino que vamos a llegar a escalas muy muy muy pequeñas!”», rememora.

El proyecto de investigación que nació ese día acaba de producir su primer resultado: una medición de la fuerza gravitatoria entre dos diminutas esferas de oro, cada una del tamaño de una semilla de sésamo y con el peso de cuatro granos de arroz. Nunca se había medido la atracción gravitatoria entre masas tan pequeñas.

Los resultados, publicados la semana pasada en Naturaleza, acercan a los físicos al arduo objetivo de reconciliar la gravedad con la mecánica cuántica, la teoría en que se basa toda la física no gravitatoria.

Experimentos gravitatorios de precisión

No es fácil comprender lo increíblemente débil que es la gravedad para masas tan pequeñas. La fuerza gravitatoria que una esfera (la masa «fuente») ejerce sobre otra (la masa de prueba) situada a unos pocos milímetros de distancia es decenas de millones de veces menor que el peso de un copo de nieve.

El principal reto al que se enfrentaba el equipo de Aspelmeyer era diseñar un detector muy sensible a esa diminuta atracción gravitatoria y, al mismo tiempo, totalmente insensible a otras fuerzas mucho mayores que tiran de la masa de prueba en todas direcciones.

Los investigadores alcanzaron esa sensibilidad por medio de un péndulo de torsión, un instrumento que parece una versión en miniatura de los juguetes móviles que se cuelgan sobre la cuna de un bebé. La esfera que actúa como masa de prueba está fijada a un extremo de una varilla delgada, que pende de una fibra de cuarzo de cuatro micras de grosor unida a su punto medio. En el otro extremo de la varilla hay una esfera idéntica que hace de contrapeso.

Cuando actúa una fuerza sobre la masa de prueba, hace girar el péndulo hasta que se ve compensada por la fuerza restauradora generada por la torsión de la fibra. Un hilo tan fino es muy flexible, por lo que hasta las fuerzas muy débiles producen rotaciones relativamente grandes. Y lo más importante: el péndulo de torsión no se ve afectado por las fuerzas ejercidas por objetos distantes, que tiran a la vez de la masa de prueba y del contrapeso y, en consecuencia, no inducen una rotación.

Pero ni siquiera con ese diseño tan inteligente resultó posible aislar por completo la masa de prueba del ajetreado entorno urbano de la Viena diurna. «El mejor momento siempre es entre la medianoche y las 5 de la mañana, cuando no hay nadie en la calle», explica Aspelmeyer. «[Pero] eso no se cumplía los viernes ni los sábados.»

Para medir la fuerza gravitatoria de la masa fuente, los investigadores no se limitaron a colocarla cerca de la masa de prueba. En cambio, la movieron adelante y atrás, manteniendo una separación media de unos pocos milímetros. Esta técnica, denominada modulación, está implícita en el diseño de los intermitentes de los coches y las luces parpadeantes de las bicicletas: las señales regulares y periódicas son mucho más visibles que las constantes frente al omnipresente ruido de fondo.

Y, en efecto, los científicos observaron una fuerza oscilante que tenía justo la frecuencia esperada. A continuación repitieron el proceso muchas veces, cambiando la distancia media entre las masas, y midieron fuerzas minúsculas de hasta 10-14 newtons para separaciones de entre 2,5 y 5,5 milímetros.

El equipo además comparó esas mediciones con la famosa ley de la gravitación universal de Newton, que describe cómo disminuye la fuerza gravitatoria entre dos objetos con el cuadrado de la distancia que los separa, y encontró que los datos eran compatibles con ella (mostraron una desviación menor del 10 por ciento).

«Me parece asombroso que seamos capaces de medir esas fuerzas tan increíblemente diminutas», valora Stephan Schlamminger, físico del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología de EE.UU., que estudia la gravedad pero no participó en el trabajo.

Pero Aspelmeyer y sus colaboradores aún no podían cantar victoria: todavía tenían que descartar la posibilidad de que la modulación de la masa fuente generara otras fuerzas sobre la masa de prueba que oscilaran justo a la misma frecuencia.

El balanceo periódico de la mesa que soportaba el aparato, causado por el retroceso del movimiento apenas visible de la masa fuente, era uno de los muchos factores de confusión que los investigadores debían cuantificar con sumo cuidado. Al final, hallaron que el resto de fuerzas conocidas serían, como mínimo, 10 veces más pequeñas que la interacción gravitatoria.

Cerca de la escala cuántica

Aspelmeyer cree que un péndulo de torsión mejorado será sensible a la atracción gravitatoria de masas 5000 veces más pequeñas, más ligeras que una pestaña. Su objetivo último es estudiar experimentalmente la naturaleza cuántica de la gravedad, una cuestión que lleva casi un siglo desconcertando a los físicos.

La mecánica cuántica es una de las teorías más exitosas y mejor verificadas de toda la ciencia: describe todo, desde el comportamiento de las partículas subatómicas hasta la física de los semiconductores que hacen posible la informática moderna. Pero los intentos por desarrollar una teoría cuántica de la gravedad han tropezado una y otra vez con predicciones contradictorias o absurdas.

Las partículas descritas por la mecánica cuántica actúan de un modo bastante contrario a la intuición. Uno de los comportamientos cuánticos más extraños es una forma especial de correlación llamada entrelazamiento: cuando dos partículas se entrelazan, sus destinos quedan unidos de manera inextricable y no pueden describirse por separado.

El entrelazamiento y otros efectos cuánticos son más prominentes en sistemas muy pequeños y aislados, como los átomos y las moléculas, y se vuelven cada vez más frágiles a escalas más grandes donde la gravedad es relevante. Hasta hace poco, poner a prueba la gravedad cuántica parecía fuera del alcance de los experimentos de laboratorio.

Pero en los últimos años se han producido notables avances experimentales para discernir sutiles efectos cuánticos en sistemas cada vez más grandes. A finales de 2017, dos grupos de físicos teóricos propusieron de forma independiente un experimento ambicioso, pero tal vez realizable, que podría arrojar resultados concluyentes sobre la naturaleza cuántica de la gravedad.

La idea consiste en medir si la gravedad puede hacer que se entrelacen dos partículas cuánticas. De ser así, «no habría escapatoria: la gravedad, en cierto sentido, no sería clásica», subraya Chiara Marletto, física teórica de la Universidad de Oxford y coautora de una de las propuestas junto a su compañero de Oxford Vlatko Vedral.

Observar el entrelazamiento inducido por la gravedad sería algo revolucionario. Pero, para demostrar de manera irrefutable que la gravedad es cuántica, habría que probar que las dos partículas solo interactúan a través de la gravedad. Los esfuerzos de Aspelmeyer por determinar las fuerzas gravitatorias entre masas cada vez más pequeñas constituyen un paso crucial hacia esa prueba decisiva.

Dado que estamos logrando ver efectos cuánticos a escalas cada vez más grandes, «es posible que la gravedad y la cuántica se encuentren en algún punto intermedio», afirma Sougato Bose, físico teórico del Colegio Universitario de Londres que planteó la otra propuesta junto a nueve colaboradores.

«La pregunta de si la gravedad se comporta de un modo fundamentalmente cuántico es una cuestión experimental», concluye Aspelmeyer. «Estamos impacientes por llegar hasta el final y ver qué sucede.»

Ben Brubaker

Referencia: «Medida del acoplamiento gravitacional entre masas milimétricas», Tobias Westphal et al. en Naturaleza, vol. 591, págs. 225-228, 11 de marzo de 2021.



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