Nous experiments per trobar la pedra filosofal de la física

L’1 d’agost del 1937 uns agents van irrompre al pis del jove Matvei Bronstein. Després de regirar-lo de dalt a baix, van destruir els manuscrits que hi havia sobre la taula del despatx i van confiscar-li tots els llibres. El 3 de febrer del 1938, Stalin signava la seva sentència de mort, i després d’un judici de mitja hora, el 18 de febrer va ser afusellat en una presó de Leningrad.

Ni Stalin ni els brètols que van destruir els manuscrits de Bronstein devien saber que contenien la llavor d’un dels camps més actius de la física actual, la gravitació quàntica. Amb només 28 anys, Bronstein havia intuït que fusionar les dues grans teories físiques del moment, la física quàntica i la relativitat general, hauria de produir resultats molt valuosos en aquesta dèria humana de comprendre la natura.

I és que al llarg del segle XX els físics han arribat a la conclusió que la matèria interacciona a través de tan sols quatre forces: la gravitatòria, l’electromagnètica i les nuclears forta i feble. Tres d’aquestes quatre forces es poden explicar mitjançant la física quàntica, però fins ara la gravetat només s’entén a partir de la relativitat general d’Einstein. En la majoria de situacions, aquesta divisió és prou funcional. Quan s’ha d’estudiar la matèria a escales microscòpiques, que és quan les tres forces quàntiques són rellevants, s’utilitza la física quàntica. Quan s’estudien els planetes, les estrelles i les galàxies, sotmeses principalment a la gravetat, s’utilitza la relativitat. Però hi ha situacions, com el Big Bang o els forats negres, en què grans quantitats de matèria es concentren en espais molt petits. En aquests casos entren en joc tant els efectes quàntics com la gravetat i, per tant, es necessiten totes dues teories. Malgrat els esforços de Bronstein i de tots els que l’han succeït, encara no s’ha trobat la manera de fer-les funcionar plegades. Per això hi ha tanta gent al món que s’escarrassa a trobar una teoria quàntica que expliqui la gravetat.

Què diuen les observacions?

Una de les dificultats amb què topa aquest enfocament és que ningú sap del cert si la natura es regeix per aquesta teoria o no. Com que els efectes quàntics de la gravetat es manifesten en els forats negres o en els primers instants de l’Univers, no s’han pogut observar mai: no podem veure què passa a l’interior d’un forat negre, perquè res no se n’escapa, ni tampoc podem observar el Big Bang perquè va passar fa molt de temps. Naturalment, tampoc som capaços de reproduir aquestes situacions en un laboratori. Per tant, no hi ha cap evidència empírica que indiqui si la gravetat és quàntica o no.

“La majoria pensem que sí que ho és, però vistes les dificultats que estem tenint per formular-la, també hi ha gent que pensa que no”, explica Roberto Emparan, investigador Icrea de l’Institut de Ciències del Cosmos de la Universitat de Barcelona. Segons Lluís Masanes, investigador en física teòrica del University College London, “la majoria de físics creuen que l’Univers està descrit per unes lleis comprensibles, i per tant hi ha d’haver unes lleis que es puguin aplicar als forats negres i al Big Bang”. De fet, aquesta visió de la natura, que ja utilitzava intuïtivament Galileu i que va ser formalitzada durant la Il·lustració, és el que fa possible l’activitat científica. “Si no existeixen aquestes lleis -afegeix Masanes-, és difícil d’explicar que a les nostres escales sí que n’hi hagi”.

Microdiamants atractius

Un equip d’investigadors britànics ha proposat recentment un enfocament nou per dirimir aquest problema, mitjançant el disseny d’un experiment per detectar efectes quàntics en la gravetat. La proposta es basa en la detecció del fenomen quàntic conegut com a entrellaçament entre dos microdiamants que s’atrauen amb la força de la gravetat.

L’entrellaçament és una de les propietats més estranyes de la física quàntica. Hi ha certes situacions en què quan dues partícules han estat en contacte, els valors de les seves propietats físiques estan relacionats encara que se separin tant com es vulgui. Gràcies a aquesta relació, si es fa una mesura en una d’elles es pot conèixer instantàniament el valor del mateix paràmetre en l’altra partícula sense interaccionar-hi directament. Els investigadors argumenten que aquest nou enfocament experimental pot determinar una informació valuosíssima. Si es detecta l’entrellaçament, significa que la gravetat és també un fenomen quàntic.

De mil a un bilió d’àtoms

La principal crítica que han tingut fins ara aquestes propostes és que encara són inviables tecnològicament. La dificultat tècnica a què s’enfronten és que la gravetat és una força molt feble, i segons els autors perquè el disseny funcioni calen microdiamants formats per com a mínim 100.000 milions d’àtoms. Fins ara, els objectes més grans que s’ha aconseguit que es comportin de manera quàntica al laboratori, i que s’hagin pogut controlar prou bé, són molècules de fins a 1.000 àtoms. “En realitat, s’han aconseguit objectes quàntics de fins a un bilió d’àtoms, però encara no podem fer-los servir per mesurar efectes gravitatoris”, explica Oriol Romero-Isart, professor de la Universitat d’Innsbruck, a Àustria.

Això vol dir que encara caldrà esperar uns quants anys per veure si es pot dur a terme aquest disseny experimental o altres de més afinats. Però això no és res nou en el món de la física: la detecció d’ones gravitatòries, per exemple, és possible avui gràcies a experiments capaços de discernir el gruix d’un cabell sobre la distància a l’estrella més propera, una proesa impensable anys enrere. Segons Romero-Isart, “fa 10 anys tothom hauria dit que aquest tipus d’experiment era impossible”. Ara, en canvi, la comunitat científica es pregunta quants anys fan falta perquè es puguin fer.

Tot i la seva dificultat, aquestes propostes experimentals són ara com ara l’única via per trobar evidències empíriques del que molts científics consideren el sant grial de la física: la teoria quàntica de la gravetat. Una teoria que, com tantes altres formes d’expressió humana, va conèixer de ben jove la brutalitat d’una dictadura.