Imagen: Alexey Klementiev. Fuente: PhotoXpress.
Desde que Einstein propuso su teoría especial de la relatividad en 1905, la física y la cosmología se han basado en el supuesto de que el espacio se ve igual en todas las direcciones: es decir, que no está más apretado en una dirección que en otra.
Un nuevo experimento realizado por físicos de la Universidad de California en Berkeley (EE.UU.) ha utilizado átomos parcialmente entrelazados -idénticos a los qubits de un ordenador cuántico- para demostrar que esto es cierto, con mayor precisión que nunca: hasta una parte en un trillón.
El experimento clásico que inspiró a Albert Einstein fue realizado en Cleveland por Albert Michelson y Edward Morley en 1887 y refutó la existencia de un "éter" que impregnara el espacio, a través del cual se pensaba que se movía la luz, como una ola a través del agua. Lo que también probó el experimento, explica Hartmut Häffner, profesor asistente de física en Berkeley, es que el espacio es isótropo y que la luz viaja a la misma velocidad hacia arriba, hacia abajo y hacia los lados.
"Michelson y Morley demostraron que el espacio no se aprieta", señala Häffner en la información de UC Berkeley. "Esta isotropía es fundamental para toda la física, incluyendo el Modelo Estándar. Si le quitas la isotropía, todo el Modelo Estándar se derrumbará. Esa es la razón de que la gente está interesada en probarla".
El Modelo Estándar
El Modelo Estándar de la física de partículas describe cómo interactúan todas las partículas fundamentales, y requiere que todas las partículas y campos sean invariantes bajo transformaciones de Lorentz, y en particular, que se comporten de la misma manera sin importar en qué dirección se mueven.
Häffner y su equipo llevaron a cabo un experimento análogo al de Michelson-Morley, pero con electrones en lugar de fotones de luz. En una cámara de vacío él y sus colegas aislaron dos iones de calcio, parcialmente entrelazados como en un ordenador cuántico, y luego observaron las energías de los electrones de los iones durante las 24 horas de rotación de la Tierra.
Si el espacio se apretara en una o más direcciones, la energía de los electrones cambiaría cada 12 horas. No ocurrió así, lo que demuestra que el espacio es de hecho isotrópico hasta la trillonésima parte, una precisión 100 veces mayor que la de los experimentos previos realizados con electrones, y cinco veces mejor que los experimentos como el de Michelson y Morley, que utilizan la luz.
Los resultados refutan al menos una de las teorías que extiende el Modelo Estándar asumiendo cierta anisotropía del espacio, añade Häffner. La investigación aparece hoy en la revista Nature.
Un nuevo experimento realizado por físicos de la Universidad de California en Berkeley (EE.UU.) ha utilizado átomos parcialmente entrelazados -idénticos a los qubits de un ordenador cuántico- para demostrar que esto es cierto, con mayor precisión que nunca: hasta una parte en un trillón.
El experimento clásico que inspiró a Albert Einstein fue realizado en Cleveland por Albert Michelson y Edward Morley en 1887 y refutó la existencia de un "éter" que impregnara el espacio, a través del cual se pensaba que se movía la luz, como una ola a través del agua. Lo que también probó el experimento, explica Hartmut Häffner, profesor asistente de física en Berkeley, es que el espacio es isótropo y que la luz viaja a la misma velocidad hacia arriba, hacia abajo y hacia los lados.
"Michelson y Morley demostraron que el espacio no se aprieta", señala Häffner en la información de UC Berkeley. "Esta isotropía es fundamental para toda la física, incluyendo el Modelo Estándar. Si le quitas la isotropía, todo el Modelo Estándar se derrumbará. Esa es la razón de que la gente está interesada en probarla".
El Modelo Estándar
El Modelo Estándar de la física de partículas describe cómo interactúan todas las partículas fundamentales, y requiere que todas las partículas y campos sean invariantes bajo transformaciones de Lorentz, y en particular, que se comporten de la misma manera sin importar en qué dirección se mueven.
Häffner y su equipo llevaron a cabo un experimento análogo al de Michelson-Morley, pero con electrones en lugar de fotones de luz. En una cámara de vacío él y sus colegas aislaron dos iones de calcio, parcialmente entrelazados como en un ordenador cuántico, y luego observaron las energías de los electrones de los iones durante las 24 horas de rotación de la Tierra.
Si el espacio se apretara en una o más direcciones, la energía de los electrones cambiaría cada 12 horas. No ocurrió así, lo que demuestra que el espacio es de hecho isotrópico hasta la trillonésima parte, una precisión 100 veces mayor que la de los experimentos previos realizados con electrones, y cinco veces mejor que los experimentos como el de Michelson y Morley, que utilizan la luz.
Los resultados refutan al menos una de las teorías que extiende el Modelo Estándar asumiendo cierta anisotropía del espacio, añade Häffner. La investigación aparece hoy en la revista Nature.
A medida que la Tierra gira sobre sí misma, a orientación de los iones en el detector del ordenador cuántico cambia respecto al sistema de referencia del Sol. Si el espacio estuviera apretado en alguna dirección y no en otras, las energías de los electrones de los iones cambiarán con un periodo de 12 horas. Imagen: Harmut Häffner. Fuente: UC Berkeley.
Qubits entrelazados
A Häffner se le ocurrió la idea de utilizar iones entrelazados para probar la isotropía del espacio, mientras construía ordenadores cuánticos, lo cual implica el uso de átomos ionizados como bits cuánticos, o qubits, entrelazar las funciones de onda de sus electrones, y obligarles a evolucionar para hacer cálculos que no son posibles con las computadoras digitales de hoy en día. Se le ocurrió que dos qubits entrelazados podrían servir como detectores sensibles de ligeras perturbaciones en el espacio.
"Yo quería hacer el experimento, porque pensé que era elegante y que sería estupendo aplicar nuestros ordenadores cuánticos a un campo completamente diferente de la física", recuerda. "Pero yo no pensaba que fuéramos a ser competitivos con los experimentos de quienes trabajan en este campo. Eso fue totalmente inesperado."
Häffner tiene la esperanza de hacer detectores de computadoras cuánticas más sensibles usando otros iones, como iterbio, para conseguir una medición de la simetría de Lorentz 10.000 veces más precisa todavía. También está explorando con sus colegas futuros experimentos para detectar las distorsiones espaciales causadas por los efectos de las partículas de materia oscura, que son un completo misterio a pesar de que suponen el 27 por ciento de la masa del universo.
"Por primera vez hemos utilizado herramientas de información cuántica para realizar una prueba de simetrías fundamentales, es decir, hemos diseñado un estado cuántico que es inmune al ruido habitual pero sensible a los efectos de violación de Lorentz", explica Häffner. "Nos sorprendió que el experimento llegara a funcionar, y ahora tenemos al alcance un método nuevo y fantástico que puede ser utilizado para hacer mediciones muy precisas de las perturbaciones del espacio."
A Häffner se le ocurrió la idea de utilizar iones entrelazados para probar la isotropía del espacio, mientras construía ordenadores cuánticos, lo cual implica el uso de átomos ionizados como bits cuánticos, o qubits, entrelazar las funciones de onda de sus electrones, y obligarles a evolucionar para hacer cálculos que no son posibles con las computadoras digitales de hoy en día. Se le ocurrió que dos qubits entrelazados podrían servir como detectores sensibles de ligeras perturbaciones en el espacio.
"Yo quería hacer el experimento, porque pensé que era elegante y que sería estupendo aplicar nuestros ordenadores cuánticos a un campo completamente diferente de la física", recuerda. "Pero yo no pensaba que fuéramos a ser competitivos con los experimentos de quienes trabajan en este campo. Eso fue totalmente inesperado."
Häffner tiene la esperanza de hacer detectores de computadoras cuánticas más sensibles usando otros iones, como iterbio, para conseguir una medición de la simetría de Lorentz 10.000 veces más precisa todavía. También está explorando con sus colegas futuros experimentos para detectar las distorsiones espaciales causadas por los efectos de las partículas de materia oscura, que son un completo misterio a pesar de que suponen el 27 por ciento de la masa del universo.
"Por primera vez hemos utilizado herramientas de información cuántica para realizar una prueba de simetrías fundamentales, es decir, hemos diseñado un estado cuántico que es inmune al ruido habitual pero sensible a los efectos de violación de Lorentz", explica Häffner. "Nos sorprendió que el experimento llegara a funcionar, y ahora tenemos al alcance un método nuevo y fantástico que puede ser utilizado para hacer mediciones muy precisas de las perturbaciones del espacio."
Referencia bibliográfica:
T. Pruttivarasin, M. Ramm, S. G. Porsev, I. I. Tupitsyn, M. S. Safronova, M. A. Hohensee, H. Häffner. Michelson–Morley analogue for electrons using trapped ions to test Lorentz symmetry. Nature (2015). DOI: 10.1038/nature14091
T. Pruttivarasin, M. Ramm, S. G. Porsev, I. I. Tupitsyn, M. S. Safronova, M. A. Hohensee, H. Häffner. Michelson–Morley analogue for electrons using trapped ions to test Lorentz symmetry. Nature (2015). DOI: 10.1038/nature14091