Sacudidas cuánticas mueven objetos de 40 kilos

En un artículo publicado en la revista «Nature», los científicos han observado cómo las fluctuaciones cuánticas que existen en el universo, por pequeñas que sean, pueden «patear» un objeto tan grande como los espejos de 40 kilogramos del Observatorio por Interferometría Láser de Ondas Gravitacionales (LIGO), haciendo que se muevan mínimamente una distancia de 10 a la menos 20 metros. Este desplazamiento había sido predicho por la mecánica cuántica para un objeto de ese tamaño, pero nunca antes se había medido.

En concreto, los espejos han sido movidos por el ruido cuántico. El universo, visto a través de la lente de la mecánica cuántica, es un espacio ruidoso y crepitante donde las partículas parpadéan constantemente dentro y fuera de la existencia, creando un fondo de ruido cuántico cuyos efectos son normalmente demasiado sutiles para ser detectados en objetos cotidianos. Ocurre en nosotros mismos, pero no nos damos cuenta.

«Cada nanosegundo de nuestra existencia, estamos siendo sacudidos, golpeados por estas fluctuaciones cuánticas. Es solo que el nerviosismo de nuestra existencia, nuestra energía térmica, es demasiado grande para que estas fluctuaciones de vacío cuántico afecten nuestro movimiento de manera medible», explica Nergis Mavalvala, jefa del departamento de física del MIT. «Lo especial de este experimento es que hemos visto efectos cuánticos en algo tan grande como un ser humano», puntualiza.

Para conseguirlo, los investigadores aislaron los espejos LIGO del movimiento impulsado térmicamente y de otras fuerzas, de modo que ahora son lo suficientemente fuertes como para ser sacudidos por las fluctuaciones cuánticas y estas «espeluznantes palomitas de maíz del universo».

LIGO está diseñado para detectar ondas gravitacionales (hizo la primera detección en septiembre de 2015) que llegan a la Tierra desde fuentes cataclísmicas a millones o miles de millones de años luz de distancia. Se compone de dos detectores gemelos, uno en Hanford, Washington, y el otro en Livingston, Louisiana. Cada detector es un interferómetro en forma de L formado por dos túneles de 4 kilómetros de largo, al final del cual cuelga un espejo de 40 kilogramos.

Para detectar una onda gravitacional, un láser ubicado en la entrada del interferómetro LIGO envía un haz de luz por cada túnel del detector, donde se refleja en el espejo en el extremo más alejado, para llegar de nuevo a su punto de partida. En ausencia de una onda gravitacional, los láseres deberían regresar al mismo tiempo exacto. Si pasa una onda gravitacional, perturbaría brevemente la posición de los espejos y, por lo tanto, los tiempos de llegada de los láseres.

Los interferómetros está protegidos del ruido externo, para que tengan una mejor oportunidad de detectar las perturbaciones extremadamente sutiles creadas por una onda gravitacional entrante. Pero los investigadores se preguntaban si LIGO también podría ser lo suficientemente sensible como para sentir efectos más sutiles, como fluctuaciones cuánticas dentro del interferómetro y, específicamente, el ruido cuántico generado entre los fotones en el láser de LIGO.

«Esta fluctuación cuántica en la luz láser puede causar una presión de radiación que realmente puede patear un objeto», apunta Lee McCuller, científico investigador del Instituto Kavli de Astrofísica y Investigación del espacio en el MIT. «El objeto en nuestro caso es un espejo de 40 kilogramos, que es mil millones de veces más pesado que los objetos a nanoescala en los que otros grupos han medido este efecto cuántico», aclara.

Para el experimento, el equipo usó un instrumento construido recientemente como complemento de los interferómetros, al que llaman exprimidor cuántico. Con el exprimidor, los científicos pueden ajustar las propiedades del ruido cuántico dentro del interferómetro de LIGO.

El equipo midió primero el ruido total dentro de los interferómetros, incluido el ruido cuántico de fondo, así como el ruido «clásico» o las perturbaciones generadas por las vibraciones cotidianas normales. Luego encendieron el exprimidor y lo configuraron en un estado específico que alteró las propiedades del ruido cuántico. Entonces pudieron restar el ruido clásico durante el análisis de datos, para aislar el ruido puramente cuántico. Como el detector monitorea constantemente el desplazamiento de los espejos a cualquier ruido entrante, los investigadores pudieron observar que solo el cuántico era suficiente para desplazar los espejos mínimamente.

Mavalvala señala que la medición se alinea exactamente con lo que predice la mecánica cuántica. «Pero aún así es notable ver que se confirme en algo tan grande», subraya. «Un átomo de hidrógeno mide 10 a la menos 10 metros, así que este desplazamiento de los espejos es para un átomo de hidrógeno lo que un átomo de hidrógeno es para nosotros, y lo hemos medido», agrega McCuller.

El experimento puede conducir también a otros resultados. Al estudiar cómo manipular el ruido cuántico del detector y reducir sus patadas hacia los espejos, los investigadores podrían incluso mejorar la sensibilidad de LIGO en la detección de ondas gravitacionales, mejorando aún más el nuevo campo para la astrofísica abierto en los últimos años. Como explican los físicos Valeria Sequino, de la Universidad de Nápoles Felipe II, y Mateusz Bawaj, de la Universidad de Perugia (Italia), en un artículo que acompaña al estudio en «Nature», «una vez que se ha desarrollado una mejor sensibilidad, se podrían detectar más ondas gravitacionales de lo que es posible en la actualidad. El futuro trabajo en la supresión del ruido, por lo tanto, nos llevará hacia una era emocionante de rendimiento».