Midiendo la Curvatura del Espacio-Tiempo Usando la Dilatación del Tiempo a Escala Atómica

^{Por la doctora en Física, Inés Urdaneta y el biofísico William Brown, investigadores de Resonance Science Foundation}

Aunque la mecánica cuántica -la física que gobierna la escala atómica- y la relatividad -la física que gobierna la escala cosmológica- siguen considerándose regímenes inconexos dentro del Modelo Estándar (ya que la solución holográfica para la gravedad cuántica  de Nassim Haramein no ha alcanzado todavía una aceptación generalizada), los experimentos a escala cuántica están alcanzando la capacidad de medir efectos relativistas, conectando así en la práctica lo que sigue desconectado en la teoría.

Tal es el caso del efecto gravitacional Aharonov-Bohm, recientemente observado, una sonda cuántica para la gravedad. En la versión electromagnética del efecto Aharonov-Bohm (en la que se predijo por primera vez el efecto cuántico altamente no local) una partícula cargada eléctricamente se ve afectada por un potencial electromagnético, a pesar de estar confinada en una región en la que tanto el campo magnético como el eléctrico son nulos. El mecanismo subyacente es el acoplamiento del potencial electromagnético con la fase compleja de la función de onda de una partícula cargada. Una función de onda es una amplitud de probabilidad de valor complejo que describe matemáticamente el estado cuántico (dado por los observables de la teoría, como la velocidad, la posición, los niveles de energía, etc.) de un sistema cuántico aislado, y a partir de ella se pueden derivar las probabilidades de los posibles resultados de las mediciones realizadas sobre el sistema, al multiplicar esta función compleja por su complejo conjugado para obtener valores reales, que son las magnitudes relacionadas con los observables físicos. Está claro que este efecto es un efecto totalmente mecánico cuántico. Y a esta escala, las fuerzas que rigen son aparentemente de naturaleza principalmente electromagnética.

Dado que las partículas cuánticas -como los electrones- se describen efectivamente por superposición de estados, llamados paquetes de ondas, el efecto Aharonov-Bohm original predice que si un haz de electrones en superposición de dos paquetes de ondas (una combinación de funciones de onda) se expone a un potencial eléctrico variable en el tiempo (y sin campo), adquiriría una diferencia de fase al pasar por un par de tubos metálicos. Posteriormente, los paquetes de ondas se recombinan, y la diferencia de fase entre los paquetes de ondas inducida por este potencial variable da lugar a un efecto físico medible, un patrón de interferencia.

Entonces, ¿dónde entra en juego la parte relativista? Se sabe que la teoría de la gravitación está descrita por las ecuaciones de la relatividad general de Einstein (las ecuaciones de campo de Einstein) que explican la gravedad como la curvatura del espacio y del tiempo producida por cualquier masa-energía. Esta curvatura puede dar lugar a diferencias de tiempo entre trayectorias no locales de caída libre -lo que significa que los relojes de los observadores en diferentes marcos de referencia no inerciales no coincidirán, y los observadores no estarán de acuerdo en el momento de cualquier evento- la curvatura del espacio-tiempo da lugar a la relatividad de la simultaneidad como resultado de la dilatación del tiempo. En la actualidad, no hay soluciones convencionales para la gravedad de las partículas cuánticas, ni para el origen de su masa; la masa de las partículas cuánticas es tan pequeña, que la curvatura que podrían producir se consideraría insignificante (para ver la solución real a estas cuestiones, véanse publicaciones de RSF como El electrón y la solución de la masa holográfica -The Electron and the Holographic Mass Solution-).

Pero, ¿qué pasaría si midiéramos la diferencia de fase de las partículas cuánticas, producida por la curvatura del espacio-tiempo? Esto es lo que han conseguido Mark Kasevich y sus colegas de la Universidad de Stanford, empleando un interferómetro de átomos que utiliza una serie de pulsos láser para dividir, guiar y recombinar paquetes de ondas atómicas. El patrón de interferencia obtenido de la recombinación de estos paquetes de ondas revela cualquier cambio en la fase relativa experimentada por las ondas a lo largo de los dos brazos. Este es básicamente el principio de un interferómetro Michelsen Morley, pero en este experimento las fuentes de luz son láseres, que son fuentes de luz monocromática que permiten una resolución mucho mayor.

_{Aquí se representan los elementos básicos de la interferometría de fuente puntual. (a) El método comienza con una pequeña nube de átomos ultrafríos (azul), que se lanza hacia arriba dentro de un recinto evacuado. Al principio de la trayectoria, un pulso láser (rojo) divide la nube en dos nubes, que se expanden al subir y bajar. Un segundo pulso en la parte superior de la trayectoria actúa como un espejo. (b) Cuando las nubes llegan al fondo del recinto, un tercer pulso las recombina. El patrón de interferencia resultante se registra con dos cámaras CCD. Crédito de la imagen y descripción de la figura: Philippe Bouyer LP2N, Institut d'Optique d'Aquitaine, 33400 Talence, Francia 19 de agosto de 2013- Physics 6, 92}

Como se explica en el resumen del artículo de Science:

"Medimos el cambio de fase gravitacional inducido en un interferómetro de ondas de materia por una masa fuente a escala de kilogramo cerca de uno de los paquetes de ondas. Las desviaciones de cada brazo del interferómetro debidas a la masa fuente se miden de forma independiente. El desplazamiento de fase se desvía de la contribución de fase inducida por la deflexión, como predice la mecánica cuántica. Además, la escala observada del desplazamiento de fase es consistente con la relación error-distorsión de Heisenberg. Estos resultados muestran que la gravedad crea desplazamientos de fase Aharonov-Bohm análogos a los producidos por las interacciones electromagnéticas."

RSF en perspectiva:

Estos resultados son muy importantes, por varias razones. En primer lugar, porque permiten realizar mediciones de la curvatura del espaciotiempo (gravitacional) a escala cuántica, proporcionando un puente entre la teoría cuántica y la relatividad. En segundo lugar, esta novedosa metodología puede proporcionar una nueva forma de medir la constante gravitatoria de Newton (G) con una precisión mucho mayor de la que es posible en la actualidad, ya que la constante gravitatoria tiene la menor precisión en su valor conocido de cualquier constante medida. Las mediciones de alta precisión de G, utilizando técnicas como la interferometría atómica, proporcionarán una prueba empírica del valor predicho por Haramein para G.

Además, se trata de una forma muy inteligente de superar las dificultades para medir el desfase de las ondas gravitacionales, que utiliza los mismos principios de interferometría, ¡pero requiere brazos kilométricos!

La conexión entre el electromagnetismo (EM) y la gravedad -el llamado problema de la gran unificación, que une la gravedad y las fuerzas EM- es un misterio que ha desconcertado a los científicos durante décadas. Se supone que la gravedad cuántica resuelve este enigma, que es una forma de responder a la pregunta de cómo se produce la transición de fase, de carga a masa.

La teoría holográfica generalizada de Haramein ha demostrado cómo surge la masa a partir de las fluctuaciones del vacío, dando así una primera respuesta al origen de la masa. La conexión entre la gravedad y el electromagnetismo se completará con su nuevo artículo titulado Scale invariant unification of forces, fields and particles in the quantum vacuum plasma (Invarianza bajo escalas en la unificación de fuerzas, campos y partículas en el plasma del vacío cuántico) que se publicará próximamente.

Dado que ya sabemos cómo manipular eficazmente los campos EM, entendiendo esta conexión podemos lograr el control gravitatorio. Las aplicaciones e implicaciones de esta comprensión son literalmente INMENSAS.

¡La teoría del campo unificado ya está aquí!