Super Physics Smackdown: Relatividad versus Mecánica Cuántica ... En el espacio

Uno de los grandes enigmas de la ciencia moderna es que las leyes que gobiernan el universo en la escala más grande son completamente diferentes de las que gobiernan en la escala más pequeña.

Eso es extraño porque toda nuestra intuición sobre el universo es que debería ser internamente consistente en lugar de estar en desacuerdo consigo mismo. Esta es la razón por la que los físicos están indisolublemente unidos a la idea de que la relatividad y la mecánica cuántica deben ser manifestaciones de una idea mejor y más grande que las engloba a ambas.

Las diferencias entre la relatividad general y la mecánica cuántica son tan grandes que hasta ahora todo intento de reconciliarlas ha fracasado. Sin embargo, estos intentos han sido completamente teóricos y eso les otorga una utilidad limitada.

Por ejemplo, los físicos miden habitualmente el fenómeno cuántico del entrelazamiento enviando pares de fotones entrelazados de un lugar a otro. En estos experimentos, el emisor y el receptor deben medir la polarización de los fotones, ya sea vertical u horizontal, por ejemplo. Pero eso solo puede suceder si ambas partes saben qué dirección va hacia arriba.

Eso es fácil de especificar cuando están muy juntos. Pero se vuelve mucho más difícil si están separados por distancias en las que entra en juego la curvatura del espacio-tiempo. El problema aquí es que la respuesta es ambigua y depende del camino que tome cada fotón a través del espacio-tiempo.

Los experimentadores pueden resolver esto rastreando el camino de cada fotón hasta su fuente común, si se sabe. Pero entonces, ¿cómo 'conoce' cada fotón el camino que ha tomado el otro? Los teóricos solo pueden adivinar.

Otro problema surge cuando este tipo de experimentos se realizan con el emisor y el receptor viajando a velocidades relativistas. Esto introduce el conocido problema de determinar el orden de los eventos, que Einstein demostró que depende de los puntos de vista de los observadores.

Eso está en marcado contraste con la predicción de la mecánica cuántica. Aquí, la medición de un fotón entrelazado determina instantáneamente el resultado de una medición futura en el otro, independientemente de la distancia entre ellos.

Si la relatividad especial asegura que el orden de los eventos es ambiguo, ¿qué da? Una vez más, los teóricos están perdidos.

Por supuesto, la forma de responder estas preguntas es probarlas y ver.

Hoy, David Rideout de la Universidad de California en San Diego y algunos amigos describen varias formas de romper estas nueces y dicen que este tipo de experimentos deberían ser posibles en un futuro cercano.

Esto se debe en gran parte a que el equipo experimental requerido es estándar en muchos laboratorios de óptica, por lo que calificarlo para su uso en el espacio debería ser sencillo.

Dos grupos ya se han propuesto realizar este tipo de experimentos en el espacio. Un grupo quiere poner un paquete capaz de producir fotones entrelazados en la Estación Espacial Internacional, para enviarlos de regreso a la Tierra. Otro quiere mantener el equipo cuántico en el suelo y hacer rebotar fotones en un microsatélite simple en órbita terrestre baja, una opción que, según dicen, será más barata, más fácil y mejor.

Ninguno de los grupos tiene en mente una fecha de lanzamiento o incluso los fondos garantizados para construir su equipo. Pero eso podría cambiar, dado el creciente nivel de interés en esta área y la posibilidad de que el trabajo chino supere los esfuerzos occidentales.

Más allá de esto, existen opciones a más largo plazo para emitir fotones desde más lejos, desde la Luna o una nave espacial interplanetaria, por ejemplo.

El panorama general es que para encontrar nueva física, los científicos deben llevar los experimentos a nuevos límites. Los físicos no han podido probar la relatividad general en la escala cuántica (es decir, la escala de Planck de 10 ^ -34m). Sin embargo, se están realizando esfuerzos para explorar esta escala utilizando interferómetros atómicos.

Y hasta ahora, los físicos no han podido probar la mecánica cuántica en la escala de la relatividad general, porque las distancias sobre las que la curvatura del espacio-tiempo se vuelve significativa son muy grandes. Hace solo unas semanas vimos que el récord de teletransportación de objetos cuánticos es de solo 150 km, lo cual es muy poco para que la relatividad general haga su magia.

Rideout y compañía dicen que eso cambiará en los próximos años. Las paradojas de la mecánica cuántica fueron debatidas por primera vez por Einstein, Bohr y otros en las décadas de 1920 y 1930. Pero por varias razones, una de las cuales fue el prejuicio ciego contra este tipo de trabajo, no fue hasta los años setenta y ochenta que los físicos comenzaron a probarlos experimentalmente.

Las paradojas planteadas por el encuentro de la mecánica cuántica y la relatividad son igualmente antiguas y posiblemente más profundas. Y, sin embargo, los físicos aún tienen que comenzar un esfuerzo concertado para explorarlos experimentalmente.

Es hora de agarrar esta ortiga.

Ref: arxiv.org/abs/1206.4949 : Experimentos fundamentales de óptica cuántica concebibles con satélites que alcanzan distancias y velocidades relativistas

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