Descifrando el Cosmos 


En el centro de control de la Reserva Nuclear de Hanford en el estado de Washington, depósitos de plasma esperan una señal que tal vez nunca llegue. La esperanza nace de dos tubos de hormigón que se extienden en ángulo recto desde el centro de control hasta 4 kilómetros hacia el horizonte. Dentro de ellos, unos rayos láser van rebotando de un lado a otro sin descanso. El sitio, es uno de los dos que componen el Interferómetro Láser del Observatorio de Ondas gravitatorias, LIGO, el mayor experimento hasta la fecha dedicado a espiar las ondulaciones del espacio-tiempo, más conocido como ondas gravitacionales.

En la costa de África occidental, encaramado en el punto más alto de las Islas Canarias (España), un telescopio de rayos gamma, llamado MAGIC, explora los cielos buscando ráfagas de fotones de alta energía por todos los rincones del universo. De vez en cuando atrapa una visión fugaz de algo. Segundos, quizá, de actividad seguidos de nuevo por el silencio.

De nuevo en EE.UU., los equipos trabajan a toda máquina en los planes de una sonda espacial de 650 millones dólares, llamada Joint Dark Energy Mission. Es sólo la oferta más reciente y más ambiciosa, para estudiar cómo el universo se expande y de qué está hecha la vastedad del cosmos.

Estos son sólo tres de los muchos experimentos que nos pueden ofrecer grandes avances en nuestra comprensión de la fuerza más enigmática de la naturaleza, la gravedad. Si esto es así, lo harán de la forma que suele hacerlo la gran física, con grandes colaboraciones y grandes saldos de banco. Pero este no es el único camino. Si las exploraciones de unos cuantos físicos son correctas, la gravedad cuántica y la energía oscura podrían dejar al descubierto la extraña danza de los átomos enfriados a una línea de distancia del cero absoluto.

Sin embargo, la inescrutable gravedad es una permanente tomadura de pelo. Su mecanismo une estrellas y galaxias, estabiliza la Tierra en su viaje alrededor del Sol, y nos mantiene pegados al suelo. De acuerdo con nuestra teoría actual de la gravedad y de la relatividad general de Einstein, todo esto se debe a que los objetos masivos deforman el espacio y el tiempo, de forma que las cosas vayan hacia ellos.

Hay unos pocos flecos en esta explicación; por ejemplo, el fallo de los instrumentos como LIGO al detectar ondas gravitacionales, pese a que la relatividad general indica que la aceleración de los cuerpos cósmicos debería producirlas. Mas, en conjunto, la teoría parece sólida. Ningún experimento ha emitido un resultado en desacuerdo con las predicciones de la relatividad general.

Aún así, muchos físicos no están satisfechos. Para ellos es profundamente perturbador que la relatividad general no sea una teoría cuántica, a diferencia de las teorías que describen las otras tres fuerzas de la naturaleza. A esto se añade, la observación de que el cosmos parece estar expandiéndose cada vez más rápido, algo difícil de explicar si la gravedad dominara el universo, y deja patente el por qué nos parece que aún nos queda mucho por aprender.

La división del átomo

Los trucos de laboratorio que nos permitan hacer esto, sin gastar una fortuna, son variantes de una técnica llamada interferometría atómica. Es un modelo más reciente del instrumental de los físicos, que se conoce como interferometría óptica. Consiste en dividir un haz de luz, enviándolo por dos diferentes rutas y recombinarlo con espejos. Cualquier demora a esa luz que viaja por una u otra ruta, producida por una alteración exterior que revelará un “patrón de interferencia” característico, creado donde los dos haces se recombinan.

Este método óptico es el que utiliza LIGO y otros interferómetros muy avanzados en Alemania, Italia y Japón, en busca de los estiramientos y contracciones del espacio a escalas tan pequeñas como de 10 a 18 metros, causado por el paso de las ondas gravitacionales. No obstante, este enfoque plantea unos desafíos: los espejos usados para guiar la luz son susceptibles de aturdirse por las vibraciones mecánicas, y porque la luz viaja tan rápido que necesita un interferómetro con brazos muy largos para un retraso apreciable pueda acumularse.

Los átomos enfriados vagabundean, y gracias a esa extraña dualidad onda-partícula que subyace en el corazón de la física cuántica, se puede hacer que interfieran más. En un interferómetro atómico, los átomos se "dividen" en dos caminos a la vez y son después recombinados, produciendo señales claras de interferencias con la más pequeña perturbación. Eso hace que los superlativos sensores de rotación y aceleración se utilicen para probar las predicciones de la relatividad general con una precisión sin igual en el laboratorio.

La impresionante sensibilidad de interferómetros de átomos podría también utilizarse para captar ondas gravitacionales en frecuencias más bajas de lo que pueden detectar los existentes interferómetros ópticos. Estas ondas de baja frecuencia son las que se predicen que son irradiadas por una pareja de agujeros negros orbitando o por estrellas de neutrones, y quizás, por el ruido cósmico de la primera fracción de segundo después del Big Bang.

En la práctica, sin embargo, hay un gran problema: a pesar de que las ondas asociadas a los átomos se mueven agradablemente lentas, también son delicadas, y no pueden viajar más de un metro o así sin perder el carácter cuántico que nos permitiría interferir. Eso ponía un límite a la sensibilidad que la interferometría atómica sí podría llevar a cabo. "Es una idea atractiva, pero los átomos, en este momento, están muchos órdenes de magnitud fuera del alcance de los sistemas ópticos", dice Craig Hogan, del Fermi National Accelerator Laboratory en Batavia, Illinois.

Pero no todo está perdido. En 2008, Savas Dimopoulos y sus colegas, en la Universidad de Stanford, California, propusieron que un interferómetro híbrido, óptico y de átomos, podría combinar las ventajas de ambos. Sugirieron usar los pulsos de rayos láser desde una sola fuente, para golpear los átomos fríos en dos interferómetros separados por una gran distancia. Estos golpes, por lo general, se producen con precisión cronométrica, produciendo el mismo patrón de interferencia en cada interferómetro. Si el paso de una onda gravitacional perturba el haz láser, en su camino hacia uno de los interferómetros, cambiará el patrón de interferencia (Physical Review D, vol 78, p 122002).

Es una idea ingeniosa, librar a los aparatos de los rígidos espejos propensos a vibraciones, que son el punto débil de los actuales interferómetros ópticos. Pero el dispositivo resultante no es mucho más pequeño que los actuales detectores de ondas gravitacionales: Deja espacio suficiente para que una onda gravitacional agite las cosas de forma apreciable. Los dos interferómetros atómicos deben estar conectados por un brazo láser vertical de aproximadamente 1 kilómetro de largo. Mientras que un extremo del aparato podría estar en el laboratorio, el otro tendría que estar en un profundo pozo debajo del laboratorio.

Puede haber una solución. La mayoría de las teorías de la gravedad cuántica predicen que, por debajo de la escala de Planck, el espacio no es un tejido suave y continuo, sino una especie de espuma pixelada o un revoltijo de microscópicas dimensiones extra. Esto podría tener efectos detectables. A finales de 1990, por ejemplo, los teóricos se dieron cuenta que los fotones con diferentes energías, emitidos simultáneamente por distantes explosiones cósmicas, podrían llegan a la Tierra en diferentes momentos, pese a que todos viajan a la velocidad de la luz.

En 2005, el telescopio MAGIC detectó evidencias de este efecto, en un estallido de rayos gamma desde una galaxia a 500 millones años luz de distancia. La observación aislada de estos residuos, sin embargo, y la interpretación de las mediciones están llenas de suposiciones sobre el funcionamiento de los objetos astrofísicos extremos y distantes. A finales del año pasado, Giovanni Amelino-Camelia, de la Universidad Sapienza de Roma, en Italia, y sus colegas, sugirieron que podría haber una forma más inteligente de ver las cosas: los experimentos con átomos enfriados podrían proporcionar una manera de sintonizar el espacio cuántico sin mirar más allá de la Tierra.

Si un átomo enfriado es golpeado por un láser con una frecuencia específica, puede absorber un fotón y retroceder ligeramente. Entre tanto, un segundo láser puede ajustarse para hacer que el átomo emita un fotón. Los investigadores demostraron que la cantidad de energía necesaria en un espacio-tiempo cuántico para conducir este proceso, sería ligeramente distinta a la necesaria en un espacio-tiempo alisado, clásico, y esto se mostraría como un patrón de interferencia cuando los dos rayos láser se combinen (Physical Review Letters, vol 103, p 171302).

David Mattingly, físico de la Universidad de California, señala que esto podría presentar una nueva línea de ataque a la gravedad cuántica. Los problemas con observaciones astrofísicas, agrega, es que las teorías que lo explican sólo son aplicables "a una o dos clases de partículas de un cierto sector de alta energía". De hecho, Amelino-Camelia calcula que, con vistas a los fenómenos de baja energía a favor de los dramáticos procesos cósmicos, podría resultar ser un factor decisivo tras 80 años de fracasos en la investigación de la gravedad cuántica.

La suya, no es una voz solitaria. En marzo de este año, Charles Wang, de la Universidad de Aberdeen, Reino Unido, y sus colegas, esbozaron un experimento con el interferómetro atómico que, dijeron, podría revelar huellas de la gravedad cuántica, sin utilizar los patrones de interferencia de un átomo normal, pero sí los de la cuántica superatómica. Su propuesta consiste en cargar un interferómetro con unos 100 millones de átomos de rubidio y luego enfriarlos, cercanos al cero absoluto. En estas temperaturas, los átomos de todos se apiñan en un mismo estado cuántico de baja energía, convirtiéndose en una exótica sustancia amorfa llamada condensado de Bose-Einstein (arxiv.org/abs/1002.2962).

Este monstruo cuántico pone el foco en los efectos que son difíciles de observar en un objeto más ligero. Wang y sus colegas sugieren que, así como las fluctuaciones cuánticas aleatorias del campo electromagnético se caracterizan por cambiar los niveles de energía de un átomo de hidrógeno, llamado el efecto Lamb, de esta manera las oscilaciones de este espacio-tiempo con forma de espuma producirá pequeños cambios energéticos en un superátomo de Bose- Einstein. La idea es muy especulativa, y probarlo requeriría la exactitud de la interferometría atómica, que debe mejorar considerablemente el fin de distinguir el cambio de positivos ficticios, reseñó Guglielmo Tino de la Universidad de Florencia, Italia. "Pero apunta a posibilidades muy interesantes."

Energía repulsiva

El objeto de este experimento, sin embargo, no es nada comparado con la propuesta presentada en enero de este año por Holger Müller de la Universidad de California, Berkeley, y Martin Perl del SLAC National Accelerator Laboratory en Stanford, California. Müller es un gurú de la interferometría atómica, mientras que Perl es un experimentador tenaz, que ganó el premio Nobel en 1995, por su participación en el descubrimiento del leptón tau, el primo más pesado del electrón. Perl considera que los interferómetros atómicos pueden ser las herramientas adecuadas para descubrir la naturaleza de la energía oscura, el origen de esa misteriosa fuerza repulsiva que causa que la expansión del universo se acelere.

Sabemos poco sobre la energía oscura, y mientras otras ideas pueden venir de los grandes telescopios y las sondas espaciales como la Joint Dark Energy Mission, Perl piensa que podría aprender más buscando las pequeñas diferencias en la caída libre de los átomos en dos interferómetros colocados uno al lado del otro, a un metro de separación (arxiv.org/abs/1001.4061).

Sin embargo, no todo el mundo está convencido. "Una nueva tecnología, con frecuencia abre la puerta a nuevos efectos", señala Robert Caldwell de Dartmouth College en Hanover, New Hampshire; "pero hasta que no haya una buena teoría que explique cómo se puede detectar la energía oscura en un laboratorio, la mejor manera de aprender acerca de ello seguirá siendo a través de las observaciones cosmológicas."

Junto a la gran física, constantemente empujando hacia nuevos límites, queda por ver si los experimentos con átomos enfriados están a la altura de su cartelera. En la próxima década, por ejemplo, un trío de naves espaciales conocidas colectivamente como la Laser Interferometer Space Antenna, o LISA, podrían despegar, con destino a un punto a 50 millones de kilómetros de la Tierra. Allí, la nave se dispondrá en un orden triangular de 5.000.000 de kilómetros para continuar la búsqueda de ondas gravitatorias. Con un coste de más de mil millones de dólares, LISA no saldrá barato precisamente. Si el dinero se va en este tipo de sistemas, podemos estar agradecidos por soluciones más cerca de casa.

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