Rareza cuántica: Se ha medido el efecto gravitacional de Aharonov-Bohm
Las partículas se comportan como si algo estuviera actuando sobre ellas, incluso cuando no hay nada cerca. Este efecto se demostró para los campos electromagnéticos hace 40 años. Ahora se ha confirmado que también existe para la gravedad.
Los fenómenos cuánticos están llenos de paradojas. Uno de ellos es que las partículas se comportan como si una fuerza estuviera actuando sobre ellas, mientras que ninguna está actuando, o podría actuar.
El efecto Aharonov-Bohm ocurre en campos electromagnéticos
Imagine un imán en forma de rosquilla con un agujero (es decir, toroidal). Está envuelto para que el campo magnético no escape del imán. Si lanzamos un electrón a través del agujero, sentirá la «patada» del campo magnético, aunque ningún campo se escape fuera del imán.
Se puede hacer un experimento similar con una delgada bobina electromagnética de la que no escape ningún campo magnético. Los electrones que pasan volando se desviarán (dependiendo de la dirección del flujo de corriente) hacia la izquierda o hacia la derecha.
Las partículas de alguna manera «sienten» un campo que no está presente donde están volando. Este efecto fue predicho por Werner Ehrenberg y Raymond E. Siday ya en 1949. Diez años después, Yakir Aharonov y David Bohm, que dan nombre al fenómeno, también independientemente de ellos. La paradoja demostró que las fuerzas presentes en la mecánica clásica de Newton no son una descripción completa de la realidad cuántica.
Las partículas reaccionan no solo a lo que es, sino también a lo que podría ser
Al calcular la trayectoria de una partícula, también se debe calcular el valor posible del campo donde no existe (y por lo tanto no tiene fuerza), pero podría ocurrir. Este posible valor, el potencial de campo, ha estado presente en las ecuaciones que describen el mundo cuántico desde el principio.
Algunos físicos estaban horrorizados por esto. “El potencial no tiene significado físico”, solían decir. Algo que es potencial puede suceder, pero después de todo, no existe. Las partículas no pueden reaccionar ante algo que no existe.
Un experimento ha demostrado que pueden, después de todo. En 1986, los investigadores de Hitachi Laboratories demostraron experimentalmente que existe el efecto Aharonov-Bohm. Mucho antes, los físicos se habían ocupado de esta paradoja cuántica calculando las trayectorias de las partículas utilizando la mecánica de Lagrange, que tiene en cuenta los potenciales.
Los científicos han demostrado que el efecto Aharonov-Bohm también se aplica a la gravedad
Ahora, los físicos han demostrado que el efecto Aharonov-Bohm no se limita al campo electromagnético. Las partículas reaccionan de la misma manera ante un campo gravitatorio inexistente pero posible. Lo que importa para las partículas es el potencial gravitatorio, no la fuerza de gravedad en sí.
Los físicos de la Universidad de Stanford probaron esto dejando caer átomos de rubidio en una cámara de vacío de 10 metros de altura y siguiendo cuidadosamente sus trayectorias de caída. El experimento se repitió colocando un peso de tungsteno de 1,25 kilogramos encima de la torre. Luego se liberaron dos nubes de átomos de rubidio. Uno estaba más cerca del peso, el otro más bajo. Ambos estaban a 25 centímetros de distancia.
Las partículas “sienten” el campo gravitatorio, incluso cuando es solo potencial
. Las partículas deberían caer de manera diferente cuando, incluso muy débilmente, son atraídas desde arriba por la masa. También debería ser evidente una diferencia entre las trayectorias de las partículas más cercanas a la masa de tungsteno que las más alejadas. De ahí las dos nubes de átomos en el segundo experimento.
Aquí se utilizó otro fenómeno cuántico. La idea es que en el mundo cuántico cada partícula es también una onda. Los investigadores registraron exactamente cómo se superponen estas ondas, es decir, su interferencia.
Las mediciones han demostrado que incluso cuando se resta el efecto de la masa de tungsteno en la aceleración de las partículas, estas experimentan una ralentización (extremadamente débil) del paso del tiempo .
Tal fenómeno es predicho por la teoría de la relatividad, que asume que cualquier masa ralentiza el paso del tiempo. Las partículas sienten así el potencial de cualquier campo, incluida la gravedad .
La constante gravitacional es una de las constantes físicas medidas con menor precisión
¿Este experimento tiene algún significado práctico? Sí, porque permitirá a los físicos determinar con mayor precisión el valor de la constante gravitatoria , también conocida como constante de Newton.
Es particularmente difícil de medir porque, en comparación con otras fuerzas físicas, la gravedad es extremadamente débil . Los experimentos más precisos hasta la fecha lo han medido con una precisión de 20 partes por millón. Los experimentos que utilizan el efecto Aharonov-Bohm permitirán medirlo con mucha más precisión.
La medición precisa de la constante gravitatoria puede, a su vez, ayudar en la búsqueda de materia oscura. También puede permitirnos determinar si existe la energía oscura. Gracias a tales mediciones, se pueden verificar teorías en las que no hay materia oscura. Asumen que a grandes distancias cósmicas la gravedad actúa algo más débil de lo que sugieren los modelos actuales.
