Publicado en Science: Un condensado de Bose-Einstein arrojado desde 120 metros de altura confirma la teoría de la gravedad de Einstein

Un condensado de Bose-Einstein (BEC) formado por átomos de rubidio enfriados a 9 nanokelvin encerrado en una cápsula de 60×60×215 (cm) ha sido arrojado en caída libre desde 120 m. de altura. El experimento confirma el principio de equivalencia en el que se basa la gravedad de Einstein como hasta ahora nadie había logrado. La gravedad residual en el experimento de microgravedad es una millonésima de la gravedad terrestre. El láser y la interferometría óptica nos ha permitido medidas extremadamente precisas de muchos efectos cuánticos. Gracias a la interferometría atómica en BEC permite medidas ultraprecisas de los efectos de la gravedad en sistemas cuánticos (se ha estimado que se llegará a una exactitud de una parte en 1016). Aunque este nuevo experimento confirma la validez de la gravedad clásica y por tanto no ofrece sorpresas, abre paso a futuros estudios de alta precisión sobre posibles violaciones cuánticas de la gravedad. Por ejemplo, un BEC es un estado cuántico macroscópico en el que millones de átomos en un estado tipo bosón que se encuentran en su estado de mínima energía y se describen con una función de onda cuántica macroscópica, pero también se pueden construir BEC con átomos que actúan como fermiones, que se emparejan formando bosones y se condensan, lo que permitirá estudiar si la gravedad actúa por igual en bosones y fermiones. Un nuevo concepto experimental revolucionario, como nos cuentan los brasileños Paulo Nussenzveig y João C. A. Barata, «Physics: A Drop of Quantum Matter,» Perspectives, Science 328: 1491-1492, 18 June 2010, haciéndose eco del artículo técnico de T. van Zoest et al., «Bose-Einstein Condensation in Microgravity,» Science 328: 1540-1543, 18 June 2010. Una tesis doctoral sobre este experimento está disponible en la web: Wojciech Lewoczko-Adamczyk, «Bose-Einstein Condensation in Microgravity. Trapping of dilute quantum-degenerate gases in ultra-shallow magnetic traps under microgravity conditions,» Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät I, Humboldt-Universität zu Berlin, 2009. Muchos medios se han hecho eco de esta gran noticia, como Laura Sanders, «Physics in free fall. Dropping supercold atoms may prove useful for understanding general relativity,» ScienceNews, June 18, 2010.

PS (23 junio 2010): Malén Ruiz de Elvira, «Caída libre cuántica. Un experimento pionero registra el comportamiento de miles de átomos tirados desde una altura de 146 metros,» El País, 23/06/2010, me ha traído a la memoria la charla de Mónica Salomone, «La Astronomía que Viene – Marte es una estrella … de la tele,» Madri+d Mediateca. Mónica está muy nerviosa en su charla y muestra poco dominio de la dicción, pero la charla es interesante.



12 Comentarios

    1. Gracias por el comentario Astro977. No tiene nada que ver. Mencionas una propuesta teórica y el nuevo artículo es una verificación experimental. No hay que mezclar churras con merinas.

      El artículo que se traduce en Ciencia Kanija, una noticia aparecida en ArXiv blog, se refiere al artículo técnico de E. Kajari et al., «Inertial and gravitational mass in quantum mechanics,» ArXiv, 10 Jun 2010 (aceptado para publicación en Applied Physics B, pero aún no aparece en su web).

      Dicho artículo técnico propone que ciertos procesos cuánticos podrían depender del cociente entre la masa gravitatoria y la inercial y que podrían ser utilizados para verificar experimentalmente el principio de equivalencia débil, que afirma que dicho ratio es igual a la unidad. Por un lado, dichos experimentos no son fáciles de realizar y no creo que se realicen en los próximos lustros. Por otro lado, la evidencia experimental actual es que dicho cociente es igual a la unidad con un error de 13 dígitos significativos. La propuesta de dicho artículo es que se podría mejorar la precisión de dichas medidas y comprobar el principio de equivalencia con algún dígito más (pero no aclaran cuantos).

      El nuevo artículo de Science es algo completamente diferente. Es un experimento hecho de verdad y que se repetirá en los próximos meses/años de múltiples formas. Es un experimento que permite comprobar el principio de equivalencia hasta con 16 dígitos significativos (según un modelo teórico publicado hace ya unos años). Mucho más preciso que el propuesto por Kajari et al. En la torre del ZARM (Center of Applied Space Technology and Microgravity, Universität Bremen) se podría realizar el experimento de Kajari et al. (que proponen su experimento para ser realizado en el espacio). No sé qué estarán pensando al respecto los físicos del ZARM.

      Lo dicho, gracias por el comentario y espero haber aclarado algo la cuestión.

    1. No, El Cid, las ondas gravitatorias son extraordinariamente débiles. Según el detector LIGO las ondas gravitatorias que inciden en la Tierra desde fenómenos violentos del resto del universo tienen una amplitud menor de 10^-26 (en unidades adecudadas). Un BEC no tiene masa suficiente para generar ondas gravitatorias apreciables y la precisíon de las medidas en el ZARM no supera los 10^-16. Así que es imposible. Quizás haya que esperar a que LISA esté en el espacio (el lanzamiento está planificado para 2012) para que se observen por primera vez ondas gravitatorias.

  1. Siempre he querido imaginar que la singularidad que encuentran los físicos en los agujeros negros (´gran masa/pequeño espacio) se resolvería facilmente si toda la materia que les conforma fuera un condesado Bose-Einstein (un gran átomo que no se comporta como materia sino como onda), que mantiene la única cualidad que parece estar probada en los agujeros negros (a juzgar por el efecto sobre la materia que lo rodea), que es la atracción gravitatoria. O sea, que se mantiene la masa pero desaparece la densidad, puesto que todos pueden ocupar el mismo lugar.

    1. Buena intuición «Tu Anciana Abuela.»

      El concepto de densidad es aplicable a un BEC que ocupa un volumen que depende del número de átomos. No es verdad que todos los átomos de un BEC ocupen el mismo lugar. Todos se describen por la misma función de onda cuántica y no podemos saber dónde están, pero no saber cuál es la posición exacta de cada átomo no significa que todos ocupen el mismo lugar.

      El volumen de un BEC es del orden de la longitud de onda de de Broglie asociada al conjunto de todos sus átomos (que depende del momento (masa por velocidad) total del BEC).

      Un agujero negro de masa M tiene un radio de Schwarschild r=2GM/c^2. La longitud onda de de Broglie para una masa M podría ser h/p, con p=E/c=M c. Sólo para agujeros negros con la masa de Planck se cumple que el radio de Schwarschild y la long. de onda de de Broglie son iguales. Para todos los agujeros negros con una masa menor que la de Planck resulta que h/p es mucha más pequeño que su radio de Schwarschild por lo que toda la masa que penetra en un agujero negro podría acumularse en un BEC en su interior. No parece una idea descabellada, pero que yo sepa nadie ha desarrollado una teoría cuántica de la gravedad capaz de dar cuenta de ello.

      Seguramente las ideas sobre los gravastars te gustarán. Básicamente es lo mismo que tu propones, con ciertas sutilezas: Pawel O. Mazur, Emil Mottola, «Gravitational Condensate Stars: An Alternative to Black Holes,» ArXiv, 11 Sep 2001.

      A new solution for the endpoint of gravitational collapse is proposed. By extending the concept of Bose-Einstein condensation to gravitational systems, a cold, compact object with an interior de Sitter condensate phase and an exterior Schwarzschild geometry of arbitrary total mass M is constructed. These are separated by a phase boundary with a small but finite thickness of fluid with eq. of state p=+rho, replacing both the Schwarzschild and de Sitter classical horizons. The new solution has no singularities, no event horizons, and a global time. Its entropy is maximized under small fluctuations and is given by the standard hydrodynamic entropy of the thin shell, instead of the Bekenstein-Hawking entropy. Unlike black holes, a collapsed star of this kind is thermodynamically stable and has no information paradox.

      La idea se la han tomado en serio algunos investigadores. Yo destacaría Matt Visse, David L. Wiltshire, «Stable gravastars – an alternative to black holes?,» ArXiv 23 Oct 2003 (Class.Quant.Grav. 21 (2004) 1135-1152), pero hay muchas otras referencias más recientes.

      El gran problema de los gravastars y de tu idea es que no conocemos ninguna susbstancia (bosónica) capaz de condensarse de tal forma que el espaciotiempo en su entorno se parezca al de un agujero negro. Por tanto no hay ninguna explicación de la formación de un gravastar y como, si todo se hace correctamente, son indistinguibles de un agujero negro más allá del horizonte de sucesos (en las gravastars es ficticio para evitar que contenga una singularidad) y no podemos de ninguna manera saber lo que pasa dentro de dicho horizonte… Además, hay muchas otras alternativas a los agujeros negros aparte de los gravastars, como las estrellas negras, las Q-bolas, etc.

  2. muy interesante este artículo, felicitaciones, si pudieran publicar de los planetas y de teorias
    del fin del mundo se los agradeceria, ademas de historias de inventores, etc.
    gracias

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Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 18 junio, 2010
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