Cómo medir el campo gravitacional de un objeto cuántico

A finales del siglo XVIII, el científico británico Henry Cavendish midió por primera vez en un laboratorio la fuerza de gravedad entre dos objetos. Los objetos en cuestión eran bolas de plomo, una del tamaño de una sandía y la otra del tamaño de una pelota de béisbol. La fuerza entre ellos, descubrió, era minúscula, aproximadamente el peso de un grano de arena.

Desde entonces, los experimentos se han vuelto más precisos, pero aún involucran objetos relativamente grandes: el campo gravitatorio más pequeño jamás medido fue entre dos cilindros que pesaban 90 gramos. Pero los campos entre masas más pequeñas son tan diminutos que nadie ha ideado una forma de medirlos.

Eso parece que va a cambiar gracias al trabajo de Jonas Schmole y sus amigos de la Universidad de Viena en Austria. Han ideado una forma de medir la atracción gravitacional de los objetos de escala milimétrica que son tres órdenes de magnitud menos masivos que cualquier cosa medida antes.

Tal experimento permitiría a los científicos probar la gravedad en escalas que nunca antes habían sido posibles y abre la puerta a una nueva era de experimentos que exploran la relación entre la gravedad y la mecánica cuántica por primera vez.

El nuevo método para medir las fuerzas gravitatorias es simple en principio. En esencia, explota la forma en que los objetos diminutos resuenan cuando se los empuja repetidamente. Una forma de hacer esto es tallar diminutos trampolines de silicio, de modo que la electrónica necesaria para monitorearlos pueda integrarse en un solo chip. Estos llamados dispositivos microelectromecánicos se han vuelto comunes en los últimos años: son la tecnología detrás de las bolsas de aire y los acelerómetros en los teléfonos inteligentes, por ejemplo.

Ahora Schmole y compañía quieren usarlos para medir las fuerzas gravitatorias. Su idea es hacer un trampolín y colocar una esfera de escala de miligramos en el extremo. Esta es la masa de prueba cuyo movimiento bajo la fuerza de la gravedad esperan medir.

Al mismo tiempo, colocan otra esfera similar en el extremo de una barra que puede moverse de un lado a otro como un pistón. Esta es la masa fuente que genera un campo gravitacional en movimiento.

Cuando estas dos esferas se colocan cerca una de la otra, el campo gravitatorio resultante debería crear una fuerza de atracción entre ellas. Eso debería tirar de la masa de prueba en el trampolín hacia la masa de origen. A medida que la masa fuente se aleja, la atracción disminuirá, lo que permitirá que la masa de prueba disminuya.

Eso hace que el trampolín vibre. Y si el movimiento de la masa fuente coincide con una cierta frecuencia crítica, el trampolín resonará y este movimiento se puede medir haciendo rebotar un láser en el trampolín.

Ajustar la forma en que la masa fuente se mueve hacia adelante y hacia atrás permitirá a Schmole y sus colegas explorar la forma en que se produce la resonancia y medir la fuerza que la provoca: la atracción gravitatoria entre los dos cuerpos.

Y eso es todo: una forma sencilla de medir la fuerza gravitatoria entre dos objetos del tamaño de miligramos que es posible hoy en día con dispositivos MEM de última generación.

Por supuesto, hay algunas sutilezas importantes en el experimento. Por ejemplo, la masa de prueba y la masa fuente deben estar aisladas para que el movimiento de una no influya en la otra, excepto por la atracción gravitacional. Ese es un desafío importante. Otro es aislar todo el dispositivo de las vibraciones externas que podrían inundar la señal de interés.

Pero Schmole y compañía dicen que estos son manejables y que el experimento es eminentemente factible. La tecnología de punta actual debería permitir una demostración de prueba de concepto para objetos en la escala de milímetros y decenas de miligramos, que ya mejora el límite actual para detectar el campo gravitatorio de una pequeña fuente de masa en tres órdenes de magnitud. ellos dicen.

Ese es un trabajo interesante y no solo por los desafíos experimentales involucrados. Los objetos de escala milimétrica están cerca de la escala en la que las extrañas leyes de la mecánica cuántica se vuelven observables. Esto conduce a fenómenos extraños, como que un solo objeto esté en dos ubicaciones al mismo tiempo.

La emocionante oportunidad que insinúan Schmole y sus colegas es la capacidad de medir la fuerza de la gravedad asociada con los objetos cuánticos. ¿Cómo se manifestará la fuerza gravitacional cuando se asocie con un objeto que existe en dos lugares al mismo tiempo?

Esa es una pregunta a la que muchos físicos darían su brazo derecho por saber la respuesta. ¡Puede que no tengan que esperar mucho!

Ref: arxiv.org/abs/1602.07539 : Un experimento micromecánico de prueba de principio para medir la fuerza gravitacional de masas de miligramos

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