La Observatorio de ondas gravitacionales LIGO en los Estados Unidos es tan sensible a las vibraciones que puede detectar pequeñas ondas en el espacio-tiempo llamadas ondas gravitacionales. Estas ondas son causadas por la colisión de agujeros negros y otros cataclismos estelares en galaxias distantes, y provocan movimientos en el observatorio mucho más pequeños que un protón.
Ahora hemos utilizado esta sensibilidad para enfriar efectivamente una masa de 10 kilogramos a menos de una milmillonésima de grado por encima del cero absoluto.
La temperatura es una medida de cuánto y qué tan rápido se mueven los átomos y moléculas que nos rodean (y de los que estamos hechos). Cuando los objetos se enfrían, sus moléculas se mueven menos.
El «cero absoluto» es el punto donde los átomos y las moléculas dejan de moverse por completo. Sin embargo, la mecánica cuántica dice que la ausencia total de movimiento no es realmente posible (debido a la principio de incertidumbre).
En cambio, en la mecánica cuántica, la temperatura del cero absoluto corresponde a un «estado fundamental de movimiento», que es la cantidad mínima teórica de movimiento que puede tener un objeto. La masa de 10 kilogramos en nuestro experimento es aproximadamente 10 billones de veces más pesada que la masa más pesada anterior enfriada a este tipo de temperatura, y se enfrió hasta casi su estado fundamental de movimiento.
La obra, publicado ayer en Science, es un paso importante en la búsqueda en curso para comprender la brecha entre la mecánica cuántica, la extraña ciencia que gobierna el universo a escalas muy pequeñas, y el mundo macroscópico que vemos a nuestro alrededor.
Ya están en marcha planes para mejorar el experimento en observatorios de ondas gravitacionales más sensibles del futuro. Los resultados pueden ofrecer una idea de la inconsistencia entre la mecánica cuántica y la teoría de la relatividad general, que describe la gravedad y el comportamiento del universo a escalas muy grandes.
Cómo funciona
LIGO detecta ondas gravitacionales utilizando láseres disparados por largos túneles y rebotando entre dos pares de espejos de 40 kilogramos, luego se combinan para producir un patrón de interferencia. Pequeños cambios en la distancia entre los espejos se manifiestan como fluctuaciones en la intensidad del láser.
El movimiento de los cuatro espejos se controla con mucha precisión, para aislarlos de cualquier vibración circundante e incluso para compensar el impacto de la luz láser que rebota en ellos.
Esta parte puede ser difícil de entender, pero podemos demostrar matemáticamente que la diferencias en el movimiento de los cuatro espejos de 40 kilogramos es equivalente al movimiento de un solo espejo de 10 kilogramos. Lo que esto significa es que el patrón de cambios de intensidad del láser que observamos en este experimento es el mismo que veríamos en un solo espejo de 10 kilogramos.
Aunque la temperatura del espejo de 10 kilogramos está definida por el movimiento de los átomos y las moléculas que lo componen, no medimos el movimiento de las moléculas individuales. En cambio, y en gran parte porque así es como medimos las ondas gravitacionales, medimos el movimiento promedio de todos los átomos (o el movimiento del centro de masa).
Hay al menos tantas formas en que los átomos pueden moverse como átomos hay, pero solo medimos una de esas formas, y ese movimiento de baile particular de todos los átomos juntos es el único que enfriamos.
El resultado es que mientras los cuatro espejos físicos permanecen a temperatura ambiente y estarían calientes al tacto (si dejamos que alguien los toque), el movimiento promedio del sistema de 10 kilogramos es efectivamente de 0,77 nanokelvin, o menos de una mil millonésima parte de un grado por encima del cero absoluto.
Luz exprimida
Nuestra contribución a Advanced LIGO, como miembros de Australia OzGrav centro de investigación de ondas gravitacionales, debía diseñar, instalar y probar el sistema de «luz cuántica exprimida» en el detector. Este sistema crea e inyecta un campo cuántico especialmente diseñado en el detector, haciéndolo más sensible al movimiento de los espejos y, por lo tanto, más sensible a las ondas gravitacionales.
El sistema de luz comprimida utiliza un tipo especial de cristal para producir pares de fotones altamente correlacionados o «entrelazados», que reducen la cantidad de ruido en el sistema.
Que significa todo esto?
Ser capaz de observar una propiedad particular de estos espejos acercarse a un estado fundamental cuántico es un subproducto de la mejora de LIGO en la búsqueda de hacer más y mejor astronomía de ondas gravitacionales, pero también podría ofrecer información sobre la controvertida cuestión de la mecánica cuántica y la gravedad .
A escalas muy pequeñas, la mecánica cuántica permite muchos fenómenos extraños, como que los objetos sean tanto ondas como partículas, o que aparentemente existan en dos lugares al mismo tiempo. Sin embargo, aunque el mundo macroscópico que vemos está construido a partir de objetos diminutos que deben obedecer a los fenómenos cuánticos, no vemos estos efectos cuánticos a escalas más grandes.
Una teoría sobre por qué sucede esto es la idea de decoherencia. Esto sugiere que el calor y las vibraciones del entorno de un sistema cuántico interrumpen su estado cuántico y hacen que se comporte como un objeto sólido familiar.
Para medir ondas gravitacionales, LIGO está diseñado para no verse afectado por el calor o las vibraciones de su entorno, pero las masas de prueba de LIGO son lo suficientemente pesadas como para que la gravedad sea una posible causa de decoherencia.
A pesar de un siglo de búsqueda, no tenemos forma de reconciliar la gravedad y la mecánica cuántica. Experimentos como este, especialmente si pueden acercarse aún más al estado fundamental, podrían dar una idea de este acertijo.
A medida que mejoremos LIGO en los próximos años, podemos volver a hacer este experimento de mecánica cuántica y tal vez ver qué sucede cuando pasamos del mundo clásico al mundo cuántico con objetos de tamaño humano.
Este artículo de David Ernest McClelland, Profesor Distinguido y Director del Centro de Astrofísica Gravitacional, Universidad Nacional Australiana; Robert Ward, Investigador Asociado, OzGrav (Centro ARC de Excelencia para el Descubrimiento de Ondas Gravitacionales), Investigador en Física, Universidad Nacional Australiana, y Terry McRae, Investigador, detección de ondas gravitacionales, Universidad Nacional de Australia, se vuelve a publicar desde La conversación bajo una licencia Creative Commons. Leer el artículo original.