Enfrían el observatorio LIGO para comprobar los efectos de la gravedad cuántica

Enfrían el observatorio LIGO para comprobar los efectos de la gravedad cuántica


Técnicos del observatorio Ligo comprobando uno de sus espejos.

Técnicos del observatorio Ligo comprobando uno de sus espejos.
Imagen: Caltech/MIT/LIGO Lab

Un equipo de físicos asegura que ha conseguido casi congelar por completo el movimiento de varios átomos sobre cuatro espejos suspendidos. Es una hazaña alucinante que pone a prueba la definición misma de palabras aparentemente simples como “objeto” y “temperatura”. Así que vete abrochándote el cinturón.

El experimento tuvo lugar en el Observatorio de ondas gravitacionales LIGO (por sus siglas en inglés), donde los físicos tratan de buscar ondas en el espacio-tiempo que hayan sido creadas por las colisiones de objetos masivos como agujeros negros. Para detectar las ondas este observatorio utiliza cuatro espejos cuidadosamente suspendidos y una serie de rayos láser. Cuando las ondas gravitacionales pasan por ahí, desplazan ligeramente los espejos y hacen que los rayos láser se tambaleen brevemente. Los investigadores detrás de este nuevo experimento aprovecharon un período de descanso del LIGO el pasado septiembre para intentar algo que nunca se había hecho antes: enfriar un objeto a escala humana tanto como para poder realizar observaciones cuánticas sobre él. Sus resultados se acaban de publicar ahora en la revista Science.

Puedes enfriar un objeto metiéndolo en un congelador, pero cuando eres físico, también puedes enfriar un objeto reduciendo su movimiento. A veces, eso significa aplicar una fuerza contraria al objeto, en este caso, rayos láser, con el fin de ralentizar su movimiento aleatorio a escala atómica. Afortunadamente, el observatorio LIGO ya está equipado con láseres, por lo que el equipo no tuvo que preocuparse por estropear la configuración tan costosa del experimento.

“De hecho, podríamos usar la misma capacidad de LIGO para hacer otra cosa, que es usar LIGO para medir el movimiento aleatorio de estos espejos. Usar la información que tenemos sobre el movimiento, y aplicar una fuerza contraria, de modo que sabremos cómo detener el movimiento de los átomos”, dijo Vivishek Sudhir, físico cuántico del Instituto de Tecnología de Massachusetts y coautor del artículo.

Aquí es donde la cosa se pone extraña. El equipo no enfrió con láser ninguno de los espejos; en cambio, lo que hicieron fue enfriaron el movimiento colectivo de los cuatro espejos a 77 nanokelvins (o 77 mil millonésimas de kelvin), justo por encima del cero absoluto. Este movimiento colectivo es lo que los físicos han bautizado como su “objeto”, aunque eso no se ajusta del todo a la definición cotidiana de la palabra. Este es ahora el objeto más grande jamás enfriado hasta casi el estado fundamental del movimiento cuántico, en otras palabras, su reposo completo al nivel atómico.

¿Pero por qué emprender tal esfuerzo? Lo que buscan es comprender mejor cómo el mundo clásico, es decir, las cosas con las que tú y yo estamos familiarizados, como sillas y gatos, interactúa con el régimen cuántico. Para hacer eso, sería útil tener un sistema grande y fácil de observar (como los espejos) que se comporte como un sistema a escala cuántica. Por lo general, los objetos a escala humana están demasiado influenciados por cosas variopintas, como el ruido de los trenes que pasan, el viento, las ondas sonoras de alguien que habla cerca, etc., como para medir de forma precisa fuerzas muy leves. Como el observatorio LIGO se encuentra bajo tierra y suspendido sobre el suelo, ya tiene protección frente a la mayor parte de estos factores. Pero para comportarse como un sistema cuántico, el equipo también necesitaba eliminar el ruido causado por el calor. Una temperatura ambiente implica que el aire está lleno de energía. Pero cuanto más frío se vuelve el aire, menos movimiento hay.

“Esta es una mejora impresionante con respecto a sus resultados anteriores de este modo mecánico gigante de enfriamiento para su sistema de espejos”, dijo Markus Aspelmeyer, un físico cuántico de la Universidad de Viena que no participó en el artículo. “Estoy de acuerdo con su afirmación de que este es un sistema fantástico para estudiar los efectos de decoherencia en objetos supermasivos del régimen cuántico”. Al hablar de decoherencia, Aspelmeyer se refiere a la forma en que los objetos pierden sus propiedades cuánticas.

Sudhir dijo que el siguiente paso del equipo sería probar el efecto de la gravedad en este sistema. La gravedad no ha sido observada directamente en el reino cuántico, por lo que podría ser que la gravedad sea una fuerza que solo actúa sobre el mundo clásico. Pero si existe a escalas cuánticas, un sistema refrigerado dentro del LIGO, que ya se trata de un instrumento extremadamente sensible, sería un lugar fantástico en el que buscar. La gravedad actúa con mayor intensidad en los objetos masivos, por lo que tener un objeto tan grande con el que trabajar es un gran paso para explorar cómo la fuerza puede o no interactuar con el mundo cuántico.

Para Sudhir, parte de lo que es tan emocionante es descubrir los límites de estas leyes de la física. “¿Por qué ocurre que… cualquier ley física que hemos descubierto como seres humanos en la Tierra se aplica de igual manera lejos, muy lejos, en algún otro rincón del universo?” Dijo Sudhir. “Este no tiene por qué ser el caso. Y, sin embargo, lo es”.

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