Física

Demostrarán la ‘Paradoja de los Gemelos’ en la Mecánica-Cuántica de Einstein

Ilustración gráfica de la variante mecánica cuántica de la paradoja de los gemelos. Crédito: Universidad de Ulm

Los físicos han asumido el desafío de investigar las intersecciones de la teoría de la relatividad y la mecánica cuántica.

El hijo más famoso de Ulm, Albert Einstein, es considerado uno de los padres fundadores de la física moderna. En particular, sus teorías de la relatividad general y especial, así como sus contribuciones fundamentales a la mecánica cuántica, continúan teniendo importancia hasta el día de hoy. No obstante, el genio de su siglo luchó durante toda su vida con las consecuencias filosóficas de la mecánica cuántica.

Ahora, los físicos de Ulm, la ciudad natal de Einstein, y de Hannover, han asumido el desafío de investigar las intersecciones de la teoría de la relatividad y la mecánica cuántica. Para este mismo propósito, se basan en la famosa paradoja de los gemelos que es una consecuencia directa de la teoría de la relatividad. Los investigadores han publicado ahora los fundamentos teóricos de un experimento que prueba una variante de la mecánica cuántica de la paradoja de los gemelos. Particularmente adecuada para la realización del experimento es la fuente atómica de 10 metros de altura que se está construyendo actualmente en Hannover. 
 

Uno de los desafíos fundamentales de la física es la reconciliación de la teoría de la relatividad de Einstein y la mecánica cuántica. La necesidad de cuestionar críticamente estos dos pilares de la física moderna surge, por ejemplo, de eventos de energía extremadamente alta en el cosmos, que hasta ahora solo pueden explicarse mediante una teoría a la vez, pero no ambas teorías en armonía. Por lo tanto, investigadores de todo el mundo están buscando desviaciones de las leyes de la mecánica cuántica y la relatividad que podrían abrir nuevas perspectivas a un nuevo campo de la física.

Para la publicación que nos ocupa, los científicos han abordado la paradoja de los gemelos, conocida por la teoría especial de la relatividad de Einstein. Este experimento mental gira en torno a un par de gemelos: mientras un hermano viaja al espacio, el otro permanece en la Tierra. En consecuencia, durante un cierto período de tiempo, los gemelos se mueven por diferentes caminos en el espacio. El resultado cuando la pareja se reencuentra es bastante asombroso: el gemelo que ha estado viajando por el espacio ha envejecido mucho menos que su hermano que se quedó en casa. Este fenómeno se explica por la descripción de Einstein de la dilatación del tiempo: Dependiendo de la velocidad y en qué lugar del campo gravitacional se mueven dos relojes entre sí, marcan a diferentes velocidades.

Los autores asumieron una variante de la mecánica cuántica de la paradoja de los gemelos con un solo «gemelo». Gracias al principio de superposición de la mecánica cuántica, este ‘gemelo’ puede moverse a lo largo de dos caminos al mismo tiempo. En el experimento mental de los investigadores, el gemelo está representado por un reloj atómico. «Estos relojes utilizan las propiedades cuánticas de los átomos para medir el tiempo con gran precisión. El reloj atómico en sí mismo es, por lo tanto, un objeto de mecánica cuántica y puede moverse a través del espacio-tiempo en dos caminos simultáneamente debido al principio de superposición. Junto con colegas de Hannover, hemos investigado cómo se puede realizar esta situación en un experimento”, explica el Dr. Enno Giese, asistente de investigación en Ulm. Con este fin, los investigadores han propuesto una configuración experimental para este escenario basada en un modelo físico cuántico.

La ‘fuente atómica’ de 10 metros de altura, que se está construyendo actualmente en Leibniz, juega un papel esencial en este esfuerzo. En este interferómetro atómico y con el uso de objetos cuánticos como los relojes atómicos, los investigadores pueden probar los efectos relativistas, incluida la dilatación del tiempo que causa la paradoja de los gemelos. «En un experimento, enviaríamos un reloj atómico al interferómetro. La pregunta crucial es entonces: ¿En qué condiciones se puede medir una diferencia de tiempo después del experimento, durante el cual el reloj se mueve simultáneamente a lo largo de dos caminos después de todo?, explica Sina Loriani.

El trabajo preliminar teórico de los físicos de Ulm es muy prometedor: como se describe, han desarrollado un modelo físico-cuántico para el interferómetro atómico, que tiene en cuenta la interacción entre láseres y átomos, así como el movimiento de los átomos, al tiempo que toma en cuenta las correcciones relativistas. «Con la ayuda de este modelo, podemos describir un reloj atómico que hace tictac y que se mueve simultáneamente a lo largo de dos caminos en una superposición espacial. Además, demostramos que un interferómetro atómico, como el que se está construyendo en Hannover, puede medir el efecto de la dilatación del tiempo relativista especial en un reloj atómico”, resume el Dr. Alexander Friedrich.
Basándose en sus consideraciones teóricas, los investigadores ya pueden suponer que un solo reloj atómico se comporta como para predice la paradoja de los gemelos: la teoría de la relatividad y la mecánica cuántica son, por tanto, realmente reconciliables en este escenario particular. La influencia de la gravedad asumida por otros grupos, sin embargo, no parece verificable en este caso específico.

Se prevé que el experimento descrito teóricamente se pondrá a prueba en el nuevo interferómetro atómico de Hannover dentro de unos años. En la práctica, los hallazgos de los científicos podrían ayudar a mejorar las aplicaciones basadas en interferómetros atómicos como la navegación o las mediciones de aceleración y rotación.

Investigadores de Ulm y Stuttgart transfieren los hallazgos de la física de la tecnología cuántica a la práctica: desarrollan sensores novedosos y optimizan los procesos de imágenes, entre otras cosas.

Fuente: Sciences Advances

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