Resumen:
¿Por qué los átomos y las partículas elementales pueden exhibir comportamientos cuánticos extraños, mientras que los objetos macroscópicos con los que interactuamos todos los días siguen leyes físicas clásicas y familiares? Los físicos llevan mucho tiempo intentando resolver este misterio. Recientemente, un nuevo estudio realizado en un laboratorio subterráneo en Italia puso a prueba rigurosamente una teoría propuesta en los años 1960. Los investigadores midieron continuamente durante 62 días pero no encontraron la señal de radiación débil predicha por la teoría, descartando así este modelo específico como explicación del mecanismo de desaparición de los fenómenos cuánticos.
Esta investigación fue completada por investigadores relevantes del Instituto Nacional Italiano de Física Nuclear, y los resultados de la investigación se publicaron en el "New Journal of Physics" el 19 de junio de 2026. El artículo se titula "Exclusión experimental de un modelo generalizado de decoherencia inducida por gravedad de Karoi-Hazy". Los resultados de la investigación no significan que no exista conexión entre la gravedad y la mecánica cuántica, pero eliminan un camino teórico que ha llamado la atención de la comunidad física para comprender por qué el mundo macroscópico no exhibe efectos cuánticos obvios.
La investigación involucra uno de los experimentos mentales más famosos de la física cuántica: el gato de Schrödinger.
En 1935, el físico austriaco Erwin Schrödinger propuso un experimento mental: colocar un gato en una caja cerrada con átomos radiactivos, dispositivos de gas venenoso, etc. Si los átomos se descomponen, el dispositivo libera gas venenoso y el gato muere; si los átomos no se desintegran, el gato sobrevive. Según la descripción del sistema completo realizada por la mecánica cuántica, el sistema puede encontrarse en una superposición cuántica de diferentes estados antes de que se realice la medición, lo que da lugar a la famosa paradoja de que un gato esté vivo y muerto.
Schrödinger propuso este experimento mental no para afirmar que los gatos en realidad pueden vivir y morir al mismo tiempo en el sentido cotidiano, sino para revelar los profundos problemas que enfrentan cuando la teoría cuántica se aplica al mundo macroscópico.
En el mundo microscópico, las partículas pueden estar en una superposición de múltiples estados posibles y exhibir características cuánticas como la interferencia. Sin embargo, los objetos de la vida cotidiana no presentan el mismo fenómeno evidente. Los físicos se refieren al proceso en el que las características de interferencia cuántica se vuelven cada vez más difíciles de observar después de que un sistema cuántico interactúa con su entorno circundante como "decoherencia".
Las interacciones ambientales pueden explicar por qué muchos objetos macroscópicos parecen seguir las leyes de la física clásica, pero cuál es la relación entre la mecánica cuántica y la gravedad, y si la gravedad también destruye activamente la superposición cuántica, siguen siendo cuestiones abiertas en la física básica.
En la década de 1960, el físico teórico húngaro Frijesh Karojhazy propuso una teoría que intentaba explicar este problema. Él cree que puede haber fluctuaciones extremadamente pequeñas en el espacio y el tiempo que no se pueden evitar por completo, y estas fluctuaciones pueden destruir gradualmente el estado de superposición del sistema cuántico, dificultando que los objetos grandes continúen exhibiendo un comportamiento cuántico.
Esta línea de pensamiento intenta establecer una conexión entre la mecánica cuántica y la teoría general de la relatividad de Einstein. La relatividad general describe la gravedad como resultado de la curvatura del espacio-tiempo, y la teoría de Karoljhazy va más allá al imaginar que puede haber pequeñas incertidumbres en el propio espacio-tiempo, que podrían afectar la evolución de los sistemas cuánticos.
Décadas después de que se propusiera esta teoría, investigadores relevantes la han reformulado y mejorado para que sus predicciones estén sujetas a pruebas experimentales más rigurosas. Los investigadores esperan determinar experimentalmente si las hipotéticas fluctuaciones en el espacio-tiempo realmente afectan a la materia de manera mensurable.
El problema es que las fluctuaciones espacio-temporales previstas por la teoría son extremadamente débiles y no pueden medirse directa y rutinariamente. Sin embargo, si estas fluctuaciones existen y pueden acelerar aleatoriamente partículas cargadas, entonces las partículas deberían producir una radiación electromagnética extremadamente débil.
En otras palabras, los investigadores no tienen que observar directamente el espacio-tiempo en sí, sino que simplemente buscan las señales de radiación predichas por la teoría, lo que les da la oportunidad de probar el modelo. Si la señal existe, respaldará la teoría; Si la sensibilidad experimental es lo suficientemente alta pero nunca se encuentra la señal esperada, los investigadores pueden limitar o incluso excluir los parámetros y modelos teóricos correspondientes.
Para completar este experimento, el equipo de investigación eligió el Laboratorio Nacional Gran Sasso en Italia. El laboratorio está situado a unos 1,4 kilómetros bajo tierra en las montañas del Gran Sasso y es uno de los laboratorios subterráneos para la investigación de física básica más grandes del mundo.
Las formaciones rocosas subterráneas pueden proteger una gran cantidad de rayos cósmicos y otras radiaciones de fondo, reduciendo la interferencia externa. Este blindaje natural es importante cuando se buscan señales extremadamente débiles, ya que la radiación del medio ambiente puede ser mucho más fuerte que la señal objetivo que los investigadores esperan capturar.
En el experimento, los investigadores utilizaron un cristal de germanio de alta pureza como componente central del detector, que es aproximadamente del tamaño de una taza de café. También se instala una estructura de blindaje multicapa de cobre y plomo en el exterior del detector para reducir aún más el impacto de la radiación de fondo.
El equipo de investigación recopiló datos durante 62 días consecutivos, luego analizó y restó la radiación de fondo esperada de los resultados de la medición, y luego verificó si los datos restantes contenían la señal de radiación específica predicha por el modelo de Karoljhazy.
Al final, los investigadores no encontraron señales que coincidieran con las predicciones del modelo.
Este resultado significa que el modelo de decoherencia inducida por la gravedad de Karoyhazy probado experimentalmente no puede ser respaldado por los resultados observacionales. Los investigadores descartaron así esta versión particular de la teoría, planteando nuevas limitaciones para futuros estudios que intenten explicar la relación entre la decoherencia cuántica y la gravedad.
Catarina Curceanu, miembro del equipo de investigación y jefa de investigación en el Laboratorio Nacional de Frascati del Instituto Nacional Italiano de Física Nuclear, señaló que la ausencia de la señal esperada es en sí misma un resultado científico importante. Al excluir un modelo representativo y establecido desde hace mucho tiempo de decoherencia inducida por la gravedad, los investigadores podrían limitar aún más su búsqueda del mecanismo físico relevante.
Sin embargo, este estudio no prueba que la gravedad nunca pueda afectar a los sistemas cuánticos, ni resuelve el problema más amplio de cómo unificar la mecánica cuántica y la relatividad general.
Diferentes teorías pueden vincular la gravedad con la decoherencia cuántica a través de otros mecanismos, y si estos mecanismos son ciertos aún requiere una mayor verificación experimental. Lo que este experimento pudo descartar fueron modelos específicos que se probaron, no todas las ideas sobre cómo la gravedad afecta el comportamiento cuántico.
La importancia de la investigación es también que muestra el proceso de las teorías físicas básicas que pasan gradualmente de la deducción matemática a pruebas experimentales precisas. En el pasado, algunas teorías sobre la estructura del espacio-tiempo y la gravedad cuántica se basaban principalmente en análisis matemáticos e investigaciones conceptuales, lo que dificultaba el diseño de experimentos que pudieran probar directamente sus predicciones. A medida que la sensibilidad del detector continúa mejorando, algunas teorías han comenzado a producir predicciones concretas que pueden contrastarse con datos experimentales.
Los pensamientos de Karoyhazy también involucran otra pregunta importante: si los humanos pueden medir distancias y posiciones en el espacio y el tiempo con una precisión infinita.
En la imagen de la física clásica, generalmente se puede imaginar medir la posición de los objetos con una precisión cada vez mayor. Sin embargo, en las investigaciones teóricas que intentan unificar la mecánica cuántica y la gravedad, siempre ha llamado mucho la atención si el espacio-tiempo todavía tiene propiedades continuas que puedan medirse con precisión infinita en escalas extremadamente pequeñas. Algunas líneas de investigación de la gravedad cuántica, incluida la teoría de cuerdas y la gravedad cuántica de bucles, implican volver a comprender la estructura del espacio-tiempo a escalas extremadamente pequeñas, pero diferentes teorías abordan esta cuestión de manera diferente.
El físico cuántico Christian Pischia, que participó en el experimento, señaló que muchas ideas en la investigación de la gravedad cuántica involucran el concepto de escalas de longitud mínima relacionadas con la incertidumbre de las mediciones del espacio-tiempo. Sin embargo, este experimento no demuestra si realmente existe la longitud mínima, sino que limita un modelo específico que intenta vincular la incertidumbre espacio-temporal con la decoherencia cuántica.
Los investigadores creen que los experimentos de precisión se están volviendo gradualmente capaces de probar algunas hipótesis físicas que durante mucho tiempo permanecieron en la etapa de especulación teórica. A medida que la tecnología experimental se desarrolle, se espera que los científicos puedan juzgar de manera más rigurosa qué teorías pueden describir el mundo real y qué teorías deben revisarse o abandonarse.
Desde el gato de Schrödinger hasta las fluctuaciones del espacio-tiempo y la gravedad cuántica, esta investigación no revela directamente todos los secretos de por qué el mundo macroscópico exhibe las leyes de la física clásica, pero elimina una teoría que alguna vez se pensó que posiblemente explicaría este fenómeno. Sirve como recordatorio de que el valor de las teorías científicas reside no sólo en su capacidad para proponer explicaciones convincentes, sino también en su capacidad para hacer predicciones claras y comprobables que puedan comprobarse mediante resultados experimentales.
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