Plantean un experimento para encontrar el punto de unión de la cuántica y la relatividad

En la gravedad cuántica, la física clásica y la mecánica cuántica están en desacuerdo: los científicos todavía desconocen cómo conciliar la "granularidad" cuántica del espacio-tiempo en la escala de Planck con el
la teoría de la relatividad especial.

En sus intentos de identificar posibles pruebas de la física asociada con esta difícil unión, el escenario más estudiado es la que implica violaciones de la invariancia de Lorentz, el principio subyacente a la relatividad especial. Sin embargo, puede haber otro enfoque: salvaguardar la relatividad especial y conciliarla con la granularidad mediante la introducción de desviaciones a pequeña escala del principio de localidad.

Un estudio teórico recién publicado en Physical Review Letters y dirigido por la Escuela Internacional de Estudios Avanzados (SISSA) de Trieste (Italia) ha analizado un modelo así mostrando que puede ser testado experimentalmente con gran precisión.

El equipo ya está colaborando en el desarrollo de un experimento, que se llevará a cabo en LENS (Laboratorio Europeo de Espectroscopia No lineal) en Florencia, algunos de cuyos miembros también han participado en el estudio teórico.

Nuestra experiencia del espacio-tiempo, dice la nota de prensa de SISSA, es la de un objeto continuo, sin huecos ni discontinuidades, justo como lo describe la física clásica. En algunos modelos de gravedad cuántica, sin embargo, la textura del espacio-tiempo es "granular" a pequeñas escalas (por debajo de la llamada escala de Planck, 10 elevado a -33 centímetros), como si se tratara de una de malla variable de sólidos y vacíos (como una espuma compleja).

Uno de los grandes problemas de la física actual es comprender el paso de una descripción continua a una discreta del espacio-tiempo: ¿Hay un cambio abrupto o una transición gradual? ¿Dónde se produce el cambio?

La separación entre un mundo y el otro crea problemas a los físicos: por ejemplo, ¿cómo podemos describir la gravedad -tan bien explicada por la física clásica- de acuerdo con la mecánica cuántica? La gravedad cuántica es en realidad un campo de estudio en el que no hay aún teorías consolidadas y compartidas. Hay, sin embargo, "escenarios", que ofrecen interpretaciones posibles de la gravedad cuántica sujeta a diferentes limitaciones y que esperan confirmación o refutación experimental.

¿Escala básica?

Uno de los problemas a resolver en este sentido es que si el espacio-tiempo es granular más allá de cierta
escala significa que hay una "escala básica", una unidad fundamental que no puede ser dividida en
algo más pequeño, una hipótesis que choca con la teoría de la relatividad especial de Einstein.

Imagínese que sostiene una regla en una mano: de acuerdo con la relatividad especial, a un observador que se mueve en una línea recta a una velocidad constante (cerca de la velocidad de la luz) en relación con usted, la regla le parecerá más corta. Pero ¿qué ocurre si la regla tiene la longitud de la escala fundamental? Según la relatividad especial, la regla parecería más corta que esta unidad de medida. La relatividad especial es por lo tanto claramente incompatible con la introducción de un granulado básico del espacio-tiempo.

Esto sugiere que la existencia de esta escala básica significaría violar la invariancia de Lorentz, el principio fundamental de la relatividad especial. Entonces, ¿cómo puede conciliarse esto? Los físicos pueden o bien plantear la hipótesis de las violaciones de la invariancia Lorentz invariancia, pero entonces tienen que satisfacer restricciones muy estrictas (y este ha sido el enfoque preferido por ahora), o bien tienen que encontrar una manera de evitarlas y encontrar un escenario que sea compatible tanto con la granularidad como con la relatividad especial.

Este escenario es el que desarrolla, de hecho, algunos modelos de gravedad cuántica como la teoría de campos de cuerdas y la teoría de conjuntos causales. El problema que debe abordarse,
sin embargo, es cómo poner a prueba sus predicciones experimentalmente dado que los efectos de estas teorías son mucho menos evidentes que los de los modelos que violan la relatividad especial.

Solución

Una solución a este callejón sin salida ha sido presentada por Stefano Liberati, profesor de SISSA, y sus colegas en su más reciente publicación. El estudio se llevó a cabo con la participación de investigadores de LENS y del Instituto Nacional de Física Nuclear italiano (Padua).

"Respetamos la invariancia de Lorentz, pero todo tiene un precio, que en este caso es la introducción de efectos no locales", comenta Liberati. El escenario estudiado por él y sus colegas, de hecho, mantiene la relatividad especial, pero introduce la posibilidad de que la física en un determinado punto del espacio-tiempo pueda ser afectada por lo que ocurre no sólo en proximidad a ese punto, sino también en regiones muy alejadas.

"Claro está que no violamos la causalidad ni tampoco presuponemos que la información viaja más rápido que la luz", señala el científico. "Sin embargo, introducimos una necesidad de conocer la estructura global con el fin de entender lo que está pasando a nivel local".

Experimento

Hay algo más que hace casi único y muy valioso el modelo de Liberati y sus colegas: se formula de tal manera que la prueba experimental es posible. "Para desarrollar nuestro razonamiento hemos trabajado codo a codo con los físicos experimentales de LENS. De hecho, ya estamos trabajando en el desarrollo de los experimentos ". Con estas mediciones, puede que Liberati y colegas sean capaces de identificar el límite, o zona de transición, donde el espacio-tiempo se vuelve granular y la física, no local.

"En LENS están construyendo un oscilador armónico cuántico: un chip de silicio que pesa unos pocos microgramos, que después de ser enfriado a temperaturas cercanas al cero absoluto, se ilumina con una luz láser y comienza a oscilar armónicamente", explica Liberati. "Nuestro modelo teórico permite probar los efectos no locales en objetos cuánticos que tienen una masa no despreciable".

Este es un aspecto importante: un escenario teórico que representa los efectos cuánticos sin violar la relatividad especial también implica que estos efectos en nuestras escalas deben necesariamente ser muy pequeños (de lo contrario ya los habríamos observado). "Con el fin de probarlos, tenemos que ser capaces de observarlos de alguna manera u otra. Según nuestro modelo, es es posible ver los efectos en objetos «frontera», es decir, objetos que son innegablemente cuánticos, pero que tienen un tamaño en el que la masa -es decir, la "carga" asociada con la gravedad (igual que la carga eléctrica está asociada con el campo eléctrico)- sigue siendo sustancial".

"Sobre la base del modelo propuesto, formulamos predicciones sobre cómo oscilará el sistema", dice Liberati. "Dos predicciones, para ser más precisos: una función que describe el sistema sin efectos no locales y uno que lo describe con efectos locales".

El modelo es especialmente robusto ya que, como explica Liberati, la diferencia en el patrón descrito en los dos casos no pueden generarla las influencias ambientales sobre el oscilador. "Así que es una situación en la que siempre se gana: si no vemos el efecto, podemos subir el listón de las energías en las que buscar la transición. Los experimentos debería ser capaces de llevar las restricciones de la escala no-local a la escala de Planck. De ese modo, reduciríamos el número de escenarios teóricos", concluye Liberati. "Si, por otro lado, observamos el efecto, estaríamos confirmando la existencia de efectos no locales, abriendo así el camino para una física totalmente nueva".

Referencia bibliográfica:

Alessio Belenchia, Dionigi M. T. Benincasa, Stefano Liberati, Francesco Marin, Francesco Marino, Antonello Ortolan: Testing Quantum Gravity Induced Nonlocality via Optomechanical Quantum Oscillators. Physical Review Letters (2016). DOI: 10.1103/PhysRevLett.116.161303