La física fundamental se enfrenta a una paradoja persistente: la imposibilidad actual de conciliar las reglas del mundo cuántico con las de la gravedad, a pesar de un siglo de esfuerzos. Esta divergencia teórica persiste sin que los científicos logren una visión unificada.
Desde los trabajos de Einstein, la gravedad se interpreta como una deformación del espacio-tiempo provocada por la masa. Paralelamente, la mecánica cuántica describe las interacciones a escala subatómica mediante cuantos, como el fotón para la fuerza electromagnética. La hipótesis de un gravitón, partícula mediadora de la gravedad, sigue siendo especulativa debido a las extremas dificultades de detección.
En los años 1950, Richard Feynman imaginó un experimento mental donde un objeto, como una manzana, se colocaba en superposición cuántica, existiendo en varios estados simultáneamente. Estimaba que si este objeto interactuaba gravitacionalmente con otro, esto demostraría la naturaleza cuántica de la gravedad. Esta propuesta ha orientado durante mucho tiempo las investigaciones sobre la unificación de las teorías.
Joseph Aziz y Richard Howl, de la Universidad de Londres, han revolucionado recientemente esta concepción. Sus cálculos indican que el entrelazamiento cuántico entre objetos puede ocurrir incluso si la gravedad es clásica, sin recurrir a gravitones. Mencionan procesos virtuales de materia que, al interactuar con el campo gravitacional, permiten este entrelazamiento. Su enfoque amplía las perspectivas sobre las interacciones fundamentales.
En este modelo, partículas virtuales, aunque efímeras, juegan un papel clave al facilitar el entrelazamiento mediante la gravedad clásica. Autorizadas por los principios cuánticos, estas entidades temporales crean correlaciones entre los objetos, simulando parcialmente los efectos de una gravedad cuántica. Sin embargo, la intensidad de estas correlaciones es menor, lo que podría ayudar a distinguir los dos escenarios en experimentos futuros.
La implementación práctica del experimento de Feynman representa un desafío técnico considerable, ya que los estados de superposición son altamente sensibles a la decoherencia. Grupos de investigación en el Reino Unido, Austria y otros lugares intentan superar estos obstáculos, pero los progresos son lentos. La viabilidad depende del aislamiento de los sistemas cuánticos de las perturbaciones externas, una tarea exigente con las tecnologías actuales.
Los resultados de Aziz y Howl, publicados en
Nature, ofrecen pistas innovadoras para explorar los vínculos entre gravedad y cuántica. Aunque no rechazan la eventualidad de una gravedad cuántica, destacan mecanismos alternativos de entrelazamiento, enriqueciendo el debate científico sobre la armonización de las leyes físicas.
La superposición cuántica
La superposición cuántica es un principio fundamental donde una partícula o un sistema existe en múltiples estados simultáneamente hasta que se realiza una medición. Este estado se describe mediante una función de onda, que representa las probabilidades de las diferentes configuraciones posibles. Por ejemplo, un electrón puede tener un spin tanto 'arriba' como 'abajo', y es solo en el momento de la observación que una de las posibilidades se realiza. Este fenómeno desafía la intuición clásica, donde los objetos tienen propiedades bien definidas en todo instante.
La idea de superposición se remonta a los inicios de la mecánica cuántica, con experimentos como el del gato de Schrödinger, que ilustra las paradojas relacionadas con este estado. En la práctica, las superposiciones se observan en sistemas aislados, como los átomos fríos o los circuitos superconductores. Permiten aplicaciones como la computación cuántica, donde los qubits explotan esta propiedad para realizar cálculos paralelos. Sin embargo, mantener la superposición requiere un entorno muy controlado para evitar la decoherencia.
La decoherencia ocurre cuando el sistema cuántico interactúa con su entorno, provocando el colapso de la función de onda y la pérdida de la superposición. Este proceso explica por qué los objetos macroscópicos, como una manzana, no parecen estar en estados superpuestos en la vida cotidiana. Los físicos trabajan para minimizar estas interacciones en los laboratorios, utilizando técnicas de enfriamiento y aislamiento para preservar los estados cuánticos durante más tiempo.
Comprender la superposición es esencial para avanzar en campos como la criptografía cuántica y los sensores ultra precisos. Abre el camino a nuevas tecnologías mientras plantea preguntas filosóficas sobre la naturaleza de la realidad. Las investigaciones continúan para explorar los límites de este fenómeno y su papel en el universo a diferentes escalas.
El papel de las partículas virtuales
Las partículas virtuales son entidades conceptuales en física cuántica que aparecen brevemente durante las interacciones, sin tener una existencia permanente. Están permitidas por el principio de incertidumbre de Heisenberg, que autoriza fluctuaciones de energía durante períodos muy cortos. En el marco de la teoría cuántica de campos, estas partículas median las fuerzas fundamentales, como el electromagnetismo, donde fotones virtuales facilitan la interacción entre cargas eléctricas.
A diferencia de las partículas reales, las virtuales no pueden ser detectadas directamente, ya que no obedecen las leyes de conservación de la energía y la masa durante períodos largos. Su presencia explica fenómenos como el efecto Casimir, donde crean una fuerza atractiva entre dos placas metálicas cercanas. También explican ciertas propiedades del vacío cuántico, que no está vacío sino lleno de fluctuaciones permanentes.
Respecto a la gravedad, si fuera cuántica, se supondría que gravitones virtuales mediarían la interacción. Sin embargo, los trabajos recientes sugieren que incluso con una gravedad clásica, se pueden encontrar efectos similares al entrelazamiento. Estas partículas virtuales interactúan con los campos cuánticos de los objetos, creando correlaciones sin necesidad de gravitones. Esto amplía las posibilidades de interacción en un marco no cuántico.
El estudio de las partículas virtuales ayuda a comprender aspectos profundos de la física, como la radiación de Hawking o la materia oscura. Aunque conceptuales, tienen implicaciones prácticas en el desarrollo de nuevas teorías y tecnologías. Las investigaciones continúan para comprender mejor su naturaleza y su influencia en el universo observable.
Fuente: Nature