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La física fundamental supera la barrera de la gravedad

No solo se puede crear en el espacio el quinto estado de la materia, sino también medir en microgravedad las fluctuaciones de los átomos. Lo siguiente será comprobar el principio de equivalencia en un cohete.

Investigadores alemanes han demostrado que el quinto estado de la materia se puede conseguir en el espacio y también que la ondulación de los átomos se puede medir en microgravedad.

Lo han conseguido en dos experimentos diferentes: el primero para alcanzar el condensado Bose-Einstein a bordo de un cohete, y ahora certificando la interferometría atómica en microgravedad.

Ambos progresos suponen un considerable impulso a la investigación en física fundamental, porque supera la interferencia de la gravedad en el conocimiento de los aspectos más intrincados de la materia.

La interferometría es una técnica mediante la cual se superponen ondas para provocar el fenómeno de interferencia: extrae información útil relacionada con la astronomía, la fibra óptica, la mecánica cuántica y la física nuclear, entre otras muchas aplicaciones posibles.

Aplicada a los átomos, la interferometría utiliza el carácter ondulatorio de los átomos para obtener información, particularmente mediciones de la constante gravitacional, la constante de estructura fina o de la universalidad de la caída libre. Incluso se cree que serviría para detectar ondas gravitatorias.

Lidiando con la gravedad

Uno de los problemas que presentan estas mediciones precisas es la interferencia de la gravedad en los procesos ondulatorios. Por este motivo, lo mejor es desarrollar estos experimentos lo más lejos posible de la superficie terrestre.

Y ahora, por primera vez, un equipo de científicos de Alemania ha logrado realizar con éxito interferometría de átomos en el espacio, a bordo de un cohete, a 300 kilómetros de altitud sobre la superficie terrestre.

La proeza ha puesto de manifiesto que la base tecnológica para estas complicadas mediciones, tan necesarias para conocimientos científicos de vanguardia, no solo son posibles en la Tierra, sino también en el espacio. Los resultados se publican en Nature Communications.

El escenario donde se han conseguido estas mediciones es una sonda de la misión MAIUS-1, lanzada en enero de 2017 por un equipo de investigadores de varias universidades y centros de investigación, dirigido por la Universidad Leibniz de Hannover.

Misión espacial

La misión MAIUS 1 (Interferometría de ondas de materia en microgravedad) es uno de los experimentos más complejos jamás realizados en un cohete. Y no solo ha servido para testar la interferometría de átomos en microgravedad.

Durante su primer vuelo, que duró aproximadamente 15 minutos, los científicos lograron hace cuatro años realizar aproximadamente 100 exitosos experimentos con el condensado de Bose-Einstein. Tres años después lo conseguiría también la Estación Espacial Internacional (ISS).

El condensado de Bose-Einstein, también considerado el quinto estado de la materia (diferente a los conocidos sólido, líquido, gas y plasma), se caracteriza por su comportamiento fronterizo: se desenvuelve entre el mundo regido por la física clásica y el universo cuántico.

Conocer este ambiguo estado de la materia ayuda a los científicos a comprender mejor los niveles más elementales de la naturaleza, aunque la gravedad siempre ha representado un problema para las mediciones.

MAIUS-1 se ha convertido en la primera misión que ha superado esta dificultad: no solo ha generado un condensado de Bose-Einstein en el espacio, sino también en la primera misión que certifica la validez de la interferometría atómica en microgravedad.

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Nuevo paso

La certificación de la interferometría atómica se basó en el enfriamiento de los átomos de rubidio que se realiza para obtener el quinto estado de la materia.

La temperatura es uno de los factores determinantes para la interferometría, porque las mediciones se pueden realizar con mayor precisión y por períodos más largos a temperaturas más bajas, destacan los investigadores en un comunicado.

Gracias a este experimento, se podrán desarrollar nuevos estudios dirigidos a la medición del campo gravitacional de la Tierra, la detección de ondas gravitacionales e incluso a una prueba del principio de equivalencia de Einstein en microgravedad.

El principio de equivalencia es una dimensión esencial de la teoría de la relatividad general de Einstein: señala que todos los cuerpos situados dentro de un mismo campo gravitatorio caen con la misma aceleración.

El reto científico es comprobar su validez en el espacio, al igual que se ha certificado la formación del quinto estado de la materia en microgravedad.

Más cohetes

Para ello, se planean dos lanzamientos de cohetes más, MAIUS-2 y MAIUS-3, para 2022 y 2023: en estas misiones, el equipo tiene la intención de usar átomos de potasio, además de átomos de rubidio empleados en el condensado Bose-Einstein, para producir patrones de interferencia.

Al comparar la aceleración de caída libre de los dos tipos de átomos, se puede facilitar una prueba del principio de equivalencia con una precisión previamente inalcanzable, señalan los investigadores.

Realizar este tipo de experimento es lo que se propone también BECCAL (Bose Einstein Condensates & Cold Atoms Lab), una instalación multiusuario que se lanzará en 2025, capaz de realizar experimentos con átomos fríos y condensados ​​Bose Einstein a bordo de la Estación Espacial Internacional (ISS).

Los investigadores concluyen señalando que los experimentos realizados a bordo del MAIUS-1, y los que se realizarán en el futuro, constituyen un ejemplo del campo de investigación altamente activo de las tecnologías cuánticas, que también incluye desarrollos en los campos de la comunicación cuántica, sensores y computación cuánticos.

Referencia

Ultracold atom interferometry in space. Maike D. Lachmann et al. Nature Communications volume 12, Article number: 1317 (2021). DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-021-21628-z

Foto superior: un ejemplo de un patrón de interferencia producido por el interferómetro atómico. ©: Maike Lachmann, IQO.

Eduardo Martínez de la Fe

Eduardo Martínez de la Fe

Eduardo Martínez de la Fe, periodista científico, es el Editor de Tendencias21.

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