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1 de Junio de 2019
Física cuántica

Gravedad cuántica en el laboratorio

Varias propuestas recientes ofrecen una senda para poner a prueba experimentalmente la naturaleza cuántica de la gravedad.

Uno de los primeros pasos para explorar el comportamiento de la gravedad a escalas minúsculas es hacer levitar una partícula de sílice mediante un haz láser. El proyecto se lleva a cabo en el laboratorio de Markus Aspelmeyer, en la Universidad de Viena. [MATTIA BALSAMINI]

En síntesis

Durante largo tiempo, muchos físicos han pensado que las propiedades cuánticas de la gravedad solo serían accesibles experimentalmente al sondear la escala de Planck, un régimen de energías imposible de alcanzar en la práctica.

En los últimos años varias propuestas han sugerido un ingenioso camino alternativo: medir los efectos del campo gravitatorio generado por masas diminutas en las que previamente se haya inducido un estado de superposición cuántica.

Tales experimentos no requerirían grandes energías, pero sí una precisión abrumadora y un control sin precedentes sobre los sistemas cuánticos implicados. Con todo, podría tratarse de una meta factible a medio o largo plazo.

En 1797, Henry Cavendish, uno de los científicos más prominentes de Gran Bretaña, construyó un artilugio para pesar el mundo. Por aquel entonces no se conocía la masa de la Tierra, ni tampoco su composición. ¿Constaba sobre todo de roca sólida? ¿Variaba con la profundidad? El astrónomo Edmond Halley llegó a plantear que nuestro planeta podía estar hueco. Isaac Newton había comparado la masa de la Tierra con la de otros cuerpos del sistema solar y dedujo que era mayor que la de la Luna. Incluso había propuesto un método para determinar su masa absoluta: medir con gran precisión la atracción gravitatoria entre dos masas esféricas y usar el resultado para deducir la masa de la Tierra. Pero Newton desechó de inmediato la idea, ya que pensó que la atracción entre las esferas sería demasiado pequeña para detectarla, incluso usando masas impracticablemente grandes. «No, ni con montañas enteras bastaría para producir efectos perceptibles», escribió en su obra maestra, los Principia, donde presentó sus leyes del movimiento y de la gravitación.

Un día de agosto de más de un siglo después, Cavendish demostró que Newton se equivocaba. El instrumento que había construido en un cobertizo situado en su propiedad del suroeste de Londres constaba de dos bolas de plomo de 730 gramos. Estas se hallaban unidas a los extremos de una barra de madera de 1,8 metros de largo, la cual colgaba de un cable sujeto a una viga. Dos esferas de plomo mucho mayores, de casi 160 kilogramos cada una, estaban suspendidas de manera independiente a unos 23 centímetros de las primeras. Cavendish esperaba que la atracción gravitatoria que ejercían las esferas grandes sobre las pequeñas hiciera girar levemente la barra de madera. Y acertó: se movió unos cuatro milímetros.

Aquello le permitió medir directamente la fuerza gravitatoria ejercida por las esferas de mayor tamaño sobre las pequeñas. Dado que el británico conocía la fuerza que ejercía la Tierra sobre cada una de estas últimas (en el sistema de unidades inglés, tanto las masas como las fuerzas se miden en libras, de modo que, por definición, la fuerza gravitatoria que experimenta una masa de una libra en la superficie de la Tierra es de una libra-fuerza), pudo establecer una sencilla relación: la fuerza gravitatoria entre la esfera pequeña y la grande, comparada con la fuerza gravitatoria entre la esfera pequeña y la Tierra. Y, dado que la fuerza gravitatoria entre dos cuerpos es directamente proporcional a sus masas, esa relación le sirvió para deducir la masa de la Tierra. A lo largo de nueve meses, repitió el experimento 17 veces y concluyó que la Tierra debía tener una masa de unos seis cuatrillones de kilogramos, un resultado que básicamente coincide con los mejores cálculos modernos.

«Es una historia increíble», sentencia Markus Aspelmeyer tras relatar el experimento de Cavendish durante una llamada de Skype. «Fue el primer experimento de laboratorio de precisión [relacionado con la gravedad].» La proeza que logró Cavendish hace 220 años, aunque en realidad no se llevara a cabo en un laboratorio, constituye una fuente de inspiración para Aspelmeyer, físico de la Universidad de Viena. Al igual que Cavendish, pretende llevar a cabo un experimento ambicioso y en apariencia imposible que podría transformar nuestra comprensión de la gravedad. Desea usar un pequeño montaje —tanto que cabría en una mesa de su laboratorio— para hallar pruebas de la naturaleza cuántica de la gravedad.

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