Albert Einstein solía recordar que la idea más feliz de su vida le sobrevino en 1907 pensando en un ascensor: si los cables se rompieran y la cabina se precipitara en caída libre, la persona atrapada dentro flotaría sin sentir su propio peso. Al soltar una moneda o las llaves, vería los objetos suspendidos en el aire junto a ella. Dentro de esa caja cerrada no habría forma de saber si se está cayendo hacia el centro de la Tierra o descansando plácidamente en una nave a la deriva por el espacio exterior. Esa equivalencia entre la caída libre y la ausencia de gravedad fue la semilla de la relatividad general. Pero ¿qué ocurriría si quien viaja en el ascensor no es una persona, sino una partícula diminuta que obedece las normas de la física cuántica?

Un equipo internacional de investigadores, del que forma parte Roger Penrose, acaba de responder a esa pregunta. Valiéndose de átomos suspendidos sobre un chip magnético, han logrado medir por primera vez la señal interna que acumula una partícula cuántica al caer atraída por la gravedad. El hallazgo, publicado en Science Advances, demuestra que la intuición clásica del ascensor de Einstein funciona con precisión matemática cuando se traslada a la escala atómica.

Para entender la proeza, imaginemos el experimento como una versión en miniatura de la parábola de Einstein.

Supongamos que un físico se queda de pie en el descansillo de un edificio, esperando que llegue el ascensor. Al mismo tiempo, dentro del hueco, la cabina rompe sus cables y cae por su propio peso con una persona dentro.

En la física cotidiana, el observador del descansillo y el pasajero que cae son dos personas distintas. En el mundo cuántico, sin embargo, la materia se comporta como una onda capaz de explorar varios caminos a la vez. Es decir: es posible replicar el ejemplo del ascensor con un solo átomo, en vez de con dos personas (o con dos átomos).

Utilizando átomos de rubidio-87 enfriados hasta casi el cero absoluto, los investigadores consiguieron dividir la onda de cada átomo en dos: una mitad del átomo “expandido” se quedó (metafóricamente) en el descansillo del edificio, suspendida en el aire mediante campos magnéticos diseñados para contrarrestar con exactitud el tirón de la gravedad terrestre. La otra mitad se metió en la cabina imaginaria, dejándola caer libremente hacia el suelo durante un par de milésimas de segundo.

Durante ese lapso microscópico, el mismo átomo estuvo a la vez quieto y cayendo. Para la mitad que viajaba en la cabina en caída libre, la gravedad prácticamente desapareció, tal como predijo Einstein para el pasajero del ascensor: en su propio marco de referencia no sintió empujón alguno. En cambio, para la mitad que quedó en el "descansillo" la gravedad seguía bien presente; de hecho, los científicos tuvieron que sujetarla de forma continua con imanes para que no se precipitase al vacío.

Es una paradoja puramente einsteniana: la parte que caía experimentaba ingravidez, mientras que la parte inmóvil cargaba con todo el esfuerzo magnético para no caer. Esa diferencia de vivencias entre las dos mitades es la que termina dejando huella en su reloj cuántico.

Hablamos figuradamente de “reloj cuántico” porque cualquier partícula cuántica posee una propiedad matemática llamada fase, que funciona de forma análoga a un minutero interno invisible: marca el compás de la onda de materia.

El chip atómico utilizado en el experimento. En el experimento, el chip se colocó boca abajo y los átomos se manipularon justo debajo. / Ben-Gurion University

Lo que pretendían los científicos era averiguar si la caída libre había dejado una marca en alguna de las dos partes del átomo. Para conseguirlo, revirtieron el proceso y volvieron a juntar las dos mitades una vez terminado el recorrido, haciendo que se solaparan de nuevo en el mismo punto.

Así descubrieron que, al reencontrarse la parte que se había quedado quieta con la que venía de caer, ambos relojes ya no marcaban el mismo compás: se había acumulado un desfase. Esa discrepancia provocó que las dos ondas interfirieran entre sí, dibujando un patrón alterno de franjas en los detectores del laboratorio. A partir de esa señal de interferencia, el equipo calculó con exactitud matemática el retraso acumulado entre ambas trayectorias y estableció que el mismo átomo había acumulado dos ritmos cuánticos distintos durante el experimento.

La clave de este descubrimiento reside precisamente en el valor exacto de ese desfase: la diferencia en su ritmo cuántico aumentó de forma cúbica con el tiempo de caída. Dicho de otro modo: si se duplicaba el tiempo de caída, la señal no se duplicaba ni se cuadruplicaba; se multiplicaba por ocho.

Esa cifra concreta es exactamente el precio que hay que pagar para traducir lo que ocurre dentro del ascensor en caída libre al punto de vista estático del descansillo. Los científicos pueden calcular ese desfase por dos vías completamente distintas: mediante las ecuaciones habituales de la mecánica cuántica o aplicando el principio de equivalencia relativista. El experimento arrojó una coincidencia casi perfecta con la teoría (con una desviación residual de apenas el 2,5%), demostrando que ambos modelos conducen al mismo resultado físico.

Dicho de forma sencilla: si el principio de equivalencia de Einstein no fuese válido en el universo cuántico, las dos mitades del átomo no habrían interferido con esa pauta matemática tan precisa al abrirse las puertas del "ascensor".

Este resultado no significa que hayamos descubierto la gravedad cuántica ni que la relatividad general y la mecánica cuántica hayan quedado unificadas. Sigue habiendo un abismo teórico entre la descripción del espacio-tiempo curvado y el comportamiento de las partículas subatómicas.

Lo que aporta este trabajo es un método práctico para interrogar a la naturaleza en la frontera donde ambas teorías se tocan. Hasta ahora, el ascensor de Einstein era un ejercicio mental reservado a cuerpos visibles o satélites en órbita.

Hoy es un dispositivo sobre un chip capaz de partir un átomo, dejar caer una parte y medir con lupa cómo le afecta la gravedad en su estado cuántico. Se ha convertido en una herramienta de precisión para explorar tanto el subsuelo de nuestro planeta como los límites de la física contemporánea.

La capacidad de medir esta fase en un microchip permite diseñar gravímetros cuánticos mucho más sensibles y compactos para detectar acuíferos, fallas o magma volcánico sin excavar ; perfeccionar sistemas de navegación inercial sin cobertura GPS ; y construir bancos de pruebas donde sustituir átomos por nanodiamantes, un paso clave para intentar medir si la propia gravedad puede inducir efectos cuánticos o provocar el colapso espontáneo de la materia.

Fuente: Levante - EMV