Según la Teoría de la Relatividad de Einstein, el espacio y el tiempo están inextricablemente unidos. En nuestro Universo, cuya curvatura es apenas mensurable, la estructura de este espacio-tiempo es fija.

En un experimento de laboratorio, investigadores de la Universidad de Heidelberg han logrado crear un espacio-tiempo efectivo que puede manipularse. En su investigación con gases cuánticos ultrafríos, pudieron simular toda una familia de universos curvos para investigar distintos escenarios cosmológicos y compararlos con las predicciones de un modelo teórico de campos cuánticos. Los resultados de la investigación se publicaron en Nature.

La aparición del espacio y el tiempo en escalas temporales cósmicas desde el Big Bang hasta el presente es objeto de investigaciones actuales que sólo pueden basarse en la observación de nuestro único Universo. La expansión y la curvatura del espacio son esenciales para los modelos cosmológicos. En un espacio plano como nuestro Universo actual, la distancia más corta entre dos puntos es siempre una línea recta.

Sin embargo, es concebible que nuestro Universo fuera curvo en su fase inicial. Estudiar las consecuencias de un espacio-tiempo curvado es, por tanto, una cuestión apremiante en la investigación, afirma el Prof. Dr. Markus Oberthaler, investigador del Instituto Kirchhoff de Física de la Universidad de Heidelberg. Con su grupo de investigación “Sistemas cuánticos sintéticos”, desarrolló un simulador de campo cuántico con este fin.

Gravedad y teoría general de la relatividad | foto vchalup2 en depositphotos.com

El simulador de campo cuántico creado en el laboratorio consiste en una nube de átomos de potasio enfriados a unos pocos nanokelvins por encima del cero absoluto. Esto produce un condensado de Bose-Einstein, un estado mecánico cuántico especial del gas atómico que se alcanza a temperaturas muy frías. El Prof. Oberthaler explica que el condensado de Bose-Einstein es un fondo perfecto sobre el que se hacen visibles las excitaciones más pequeñas, es decir, los cambios en el estado energético de los átomos. La forma de la nube atómica determina la dimensionalidad y las propiedades del espacio-tiempo sobre el que estas excitaciones cabalgan como ondas. En nuestro Universo existen tres dimensiones del espacio y una cuarta: el tiempo.

En el experimento realizado por los físicos de Heidelberg, los átomos están atrapados en una fina capa. Por tanto, las excitaciones sólo pueden propagarse en dos direcciones espaciales: el espacio es bidimensional. Al mismo tiempo, la nube atómica en las dos dimensiones restantes puede adoptar casi cualquier forma, por lo que también es posible realizar espacios-tiempo curvos. La interacción entre los átomos puede ajustarse con precisión mediante un campo magnético, cambiando la velocidad de propagación de las excitaciones ondulatorias en el condensado de Bose-Einstein.

Para las ondas en el condensado, la velocidad de propagación depende de la densidad y la interacción de los átomos. Esto nos da la oportunidad de crear condiciones como las de un universo en expansión, explica el Prof. Dr. Stefan Flörchinger. El investigador, que antes trabajaba en la Universidad de Heidelberg y se incorporó a la de Jena a principios de este año, desarrolló el modelo teórico de campo cuántico utilizado para comparar cuantitativamente los resultados experimentales.

Con el simulador de campo cuántico se pueden medir fenómenos cósmicos como la producción de partículas basada en la expansión del espacio e incluso la curvatura del espacio-tiempo. Los problemas cosmológicos tienen lugar normalmente a escalas inimaginablemente grandes. Poder estudiarlos específicamente en el laboratorio abre posibilidades de investigación totalmente nuevas al permitirnos probar experimentalmente nuevos modelos teóricos, afirma Celia Viermann, autora principal del artículo. Estudiar en el laboratorio la interacción entre el espacio-tiempo curvado y los estados mecánicos cuánticos nos ocupará durante algún tiempo, afirma Markus Oberthaler, cuyo grupo de investigación también forma parte del Clúster de Excelencia STRUCTURES de Ruperto Carola.

El trabajo se realizó en el marco del Centro de Investigación Colaborativa 1225, “Sistemas cuánticos aislados y universalidad en condiciones extremas” (ISOQUANT), de la Universidad de Heidelberg.


Fuentes

Universität Heidelberg | Viermann, C., Sparn, M., Liebster, N. et al. Quantum field simulator for dynamics in curved spacetime. Nature 611, 260–264 (2022). doi.org/10.1038/s41586–022–05313–9


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