La ciencia de lo imperceptible: cómo un experimento podría resolver uno de los mayores misterios del universo

Resolver uno de los mayores enigmas de la física moderna —si la gravedad es una fuerza cuántica— ha dejado de ser un sueño inalcanzable. Por primera vez, experimentos innovadores están desafiando la creencia de que este misterio es imposible de abordar en el laboratorio.

Según un reportaje de New Scientist, equipos de científicos en Europa y Estados Unidos están desarrollando tecnologías y métodos que podrían, en los próximos años, arrojar luz sobre la naturaleza cuántica de la gravedad, un avance que podría transformar la comprensión del universo y reconciliar dos de las teorías más fundamentales de la ciencia: la relatividad general y la mecánica cuántica.

Por primera vez, científicos están logrando diseñar experimentos que podrían demostrar si la gravedad —la fuerza que hace que las cosas caigan al suelo— también sigue las reglas invisibles y misteriosas que gobiernan el mundo de lo más pequeño (mundo cuántico), como los átomos y las partículas. Si lo logran, podríamos estar ante un descubrimiento capaz de cambiar todo lo que sabemos sobre el universo.

La física moderna se sostiene sobre dos pilares que, aunque exitosos por separado, resultan incompatibles entre sí. Por un lado, la relatividad general, formulada por Albert Einstein, describe el universo a gran escala como un espacio-tiempo continuo y predecible, donde la gravedad surge de la curvatura de ese espacio-tiempo alrededor de objetos masivos.

Por otro, la mecánica cuántica gobierna el mundo microscópico, donde la materia y las fuerzas fundamentales se comportan como partículas indivisibles y presentan propiedades probabilísticas.

Durante décadas, los físicos han utilizado ambas teorías según la escala del fenómeno a estudiar: la relatividad general para lo muy grande y la mecánica cuántica para lo muy pequeño. Sin embargo, la naturaleza no puede ser simultáneamente continua e indivisible, ni completamente predecible y aleatoria. Esta contradicción se vuelve insostenible en situaciones extremas, como el big bang, donde todo el universo estuvo concentrado en un punto de densidad infinita. Resolver este conflicto exige una teoría de gravedad cuántica, capaz de unificar ambas visiones.

Las propuestas más destacadas para lograrlo son la teoría de cuerdas, que reemplaza las partículas fundamentales por diminutas cuerdas vibrantes en múltiples dimensiones, y la gravedad cuántica de bucles, que intenta construir el espacio-tiempo a partir de unidades cuánticas indivisibles.

Ambas teorías ofrecen marcos matemáticos complejos, pero su mayor desafío ha sido la falta de experimentos que permitan comprobarlas empíricamente. Ya en 1957, el físico Richard Feynman advertía sobre la “seria dificultad” de la ausencia de pruebas experimentales para la gravedad cuántica, y sentenciaba: “No vamos a obtener ningún experimento”.

El escepticismo sobre la posibilidad de probar la gravedad cuántica ha sido una constante en la comunidad científica. El teórico Freeman Dyson, fallecido recientemente, sostenía que este problema podría ser, en la práctica, intratable. La razón principal radica en la extrema debilidad de la gravedad en comparación con las otras fuerzas fundamentales.

Mientras que el electromagnetismo —la fuerza que actúa entre partículas con carga eléctrica y que explica fenómenos como la luz, el magnetismo y la electricidad—, la fuerza fuerte —que mantiene unidos a los protones y neutrones dentro del núcleo atómico— y la fuerza débil —una de las fuerzas fundamentales que permite la transformación de unas partículas en otras y es responsable de ciertos tipos de desintegración subatómica— son transmitidas por partículas cuánticas (fotones, gluones, bosones W y Z), la gravedad, si fuera cuántica, debería estar mediada por el gravitón, una partícula cuya detección directa parece inalcanzable.

Lo cierto es que la gravedad es aproximadamente diez mil trillones de veces más débil que la fuerza débil. Aunque su efecto es evidente en la vida cotidiana —como cuando una manzana cae al suelo—, la atracción gravitatoria entre dos manzanas es prácticamente imperceptible. Detectar un gravitón requeriría energías tan elevadas que ni siquiera el Gran Colisionador de Hadrones, el acelerador de partículas más potente del mundo, se acerca a lo necesario. Es por eso que Dyson llegó a afirmar que cualquier detector lo suficientemente grande para captar un gravitón colapsaría bajo su propio peso, formando un agujero negro.

A pesar de este panorama, en los últimos años han surgido propuestas experimentales que desafían el pesimismo tradicional. En 2022, un equipo liderado por Igor Pikovski en la Universidad de Estocolmo propuso un experimento de laboratorio basado en un diminuto bar-resonator, similar a un diapasón microscópico.

El procedimiento consiste en enfriar el bar hasta casi el cero absoluto, de modo que sus átomos compartan un mismo estado cuántico. Luego, un láser induce una superposición cuántica, en la que el bar está simultáneamente vibrando y no vibrando. Según Pikovski, este sistema sería tan sensible que podría responder incluso al impacto de un solo gravitón.

Sin embargo, la viabilidad de este experimento ha sido cuestionada. Daniel Carney, del Lawrence Berkeley National Laboratory, revisó la posibilidad de detectar gravitones utilizando la tecnología desarrollada para captar ondas gravitacionales, como el observatorio LIGO en Estados Unidos. LIGO logró en 2015 la primera detección de una onda gravitacional, una perturbación en el espacio-tiempo menor a una millonésima del tamaño de un átomo.

Carney y sus colegas calcularon que la sensibilidad actual permitiría detectar ondas tan pequeñas como un solo gravitón, pero advirtieron que cualquier señal sería indistinguible de una onda gravitacional clásica de muy baja intensidad. “Eso no te dice si el campo gravitatorio está cuantizado”, explicó Carney a New Scientist.

El debate sobre la interpretación de estos experimentos persiste. Mientras Carney considera que no pueden aportar información concluyente sobre la naturaleza cuántica de la gravedad, Pikovski y Vlatko Vedral, de la Universidad de Oxford, sostienen que podrían ofrecer indicios sólidos, aunque no pruebas irrefutables. “Para una prueba inequívoca de la cuantización probablemente tendremos que esperar otros 100 años o más”, reconoció Pikovski.

Otra vía experimental se basa en el fenómeno del entrelazamiento cuántico. En 2017, Vedral y Chiara Marletto, también en Oxford, junto con un equipo independiente liderado por Sougato Bose en el University College London, propusieron preparar dos masas en un estado cuántico de posición indefinida y aislarlas de todas las fuerzas externas. Si, tras un tiempo, las posiciones de ambas masas se correlacionan, esto indicaría que han quedado entrelazadas por la gravedad, lo que implicaría que la gravedad es una fuerza cuántica.

No obstante, llevar a cabo este experimento resulta extremadamente complejo. Manipular masas suficientemente grandes en estados cuánticos es un reto, y si se usan objetos demasiado pequeños, la gravedad entre ellos se vuelve indetectable.

Además, la presencia de fotones en el entorno puede enmascarar cualquier correlación sutil. Markus Arndt, de la Universidad de Viena, logró en 2019 poner en estado cuántico a unos 2.000 átomos simultáneamente, un avance significativo hacia el entrelazamiento gravitacional. “Hay tres o cuatro grupos experimentales compitiendo por lograrlo”, afirmó Vedral.

La imposibilidad de detectar gravitones directamente y la dificultad de observar el entrelazamiento gravitacional han llevado a algunos científicos a explorar alternativas. Una de ellas es la hipótesis de que la gravedad no sea una fuerza cuántica, sino una manifestación clásica del espacio-tiempo. En este enfoque, la gravedad sería la única fuerza fundamental que no se rige por las reglas cuánticas, lo que podría explicar por qué el mundo macroscópico parece clásico.

Jonathan Oppenheim, del University College London, lideró en 2023 un estudio que demostró que todas las teorías de gravedad clásica deben compartir una característica: la presencia de un “ruido gravitacional” o aleatoriedad fundamental. Si la gravedad no es cuántica, cualquier experimento preciso con masas debería estar limitado por este ruido, que impediría alcanzar una exactitud absoluta.

A diferencia de los experimentos con gravitones o entrelazamiento, las pruebas de esta hipótesis ya están en marcha. En 2021, el grupo de Aspelmeyer fabricó pequeñas esferas de oro de unos pocos milímetros de diámetro, las unió en los extremos de una varilla y las suspendió como una diminuta mancuerna sobre un resorte.

Al acercar una tercera esfera y hacerla oscilar, midieron una aceleración equivalente a una cien milmillonésima parte de la gravedad terrestre, el efecto gravitatorio más pequeño jamás registrado. Aunque la precisión aún no es suficiente —Oppenheim estima que debe mejorar mil veces—, el equipo ya trabaja en una versión mejorada con masas 10.000 veces menores, utilizando técnicas de fabricación de microchips.

Los resultados de estos experimentos, combinados con los datos de los estudios sobre entrelazamiento gravitacional, permitirán acotar el parámetro de ruido y determinar si la gravedad realmente presenta un límite clásico.

El panorama actual muestra una comunidad científica dividida entre el escepticismo y la esperanza. Si bien la respuesta definitiva sobre la naturaleza cuántica de la gravedad aún parece lejana, los avances tecnológicos y la creatividad experimental han abierto posibilidades que hasta hace poco se consideraban fuera del alcance. “Tecnológicamente, el momento es oportuno”, aseguró Vedral, reflejando el optimismo de quienes creen que la física está a las puertas de un descubrimiento trascendental.

Los próximos años serán decisivos. Equipos en Reino Unido, Austria, Suecia y Estados Unidos compiten por ser los primeros en obtener resultados concluyentes. Aunque algunos científicos, como Pikovski, advierten que una prueba inequívoca podría tardar un siglo, otros, como Aspelmeyer, apuestan por avances significativos en una o dos décadas. Mientras tanto, la comunidad sigue de cerca los experimentos en curso, conscientes de que cualquier indicio, por pequeño que sea, podría revolucionar la física.

Como resumió Jonathan Oppenheim en declaraciones recogidas por New Scientist: “Esta es ahora una cuestión para los experimentadores. La naturaleza no se preocupa por lo que piensen los teóricos”. La resolución de este misterio, que durante décadas pareció inalcanzable, podría estar finalmente al alcance de la ciencia experimental.