LIGO: relatividad y mecánica cuántica se dan la mano.

Los requerimientos técnicos para realizar las observaciones previstas en el Observatorio de Ondas Gravitacionales Interferómetro Láser (LIGO, por sus siglas en inglés) preparan el camino para algo para lo que, en principio, no se diseñó el equipo: experimentos cuánticos a escala macroscópica. Un artículo publicado ayer en el New Journal of Physics por el equipo del LIGO informa de la observación de un oscilador con una masa de más de dos kilos cercano a su estado cuántico fundamental.

El LIGO es un experimento a gran escala, implica a 600 científicos en todo el mundo (en España participa la Universidad de las Islas Baleares), diseñado para detectar ondas gravitacionales y permitirnos observar el espacio desde la nueva perspectiva de la radiación gravitacional. En el proyecto también participan muchos particulares (incluido un servidor) cediendo sus ordenadores domésticos a través del proyecto Einstein@home.

El LIGO espera detectar esta radiación directamente midiendo pequeñísimos movimientos de masas causados por el paso de ondas gravitacionales, que se piensa que se originan en las supernovas o en algo tan exótico como las colisiones de estrellas de neutrones y agujeros negros.

La luz láser se usa para monitorizar los desplazamientos relativos de dos espejos interferométricos, que están suspendidos como si fueran péndulos para que puedan actuar como masas de ensayo casi libres. Dado que el efecto de las ondas gravitacionales se espera que sea muy pequeño, los detectores del LIGO están preparados para medir desplazamientos inferiores a una milésima del diámetro de un protón, y estos por espejos que están separados entre sí 4 Km [como se aprecia en la imagen].

La sensibilidad de los instrumentos del LIGO se ve limitada para diferentes bandas de frecuencia por el ruido causado bien por la naturaleza cuántica de la luz láser bien por la energía térmica de los espejos. La observación del comportamiento mecanocuántico de los espejos del LIGO requiere reducir el ruido térmico, lo que se puede conseguir enfriando los espejos con técnicas similares al enfriamiento de átomos por láser. Sin embargo las temperaturas deben llevarse extremadamente cerca al cero absoluto (0 Kelvin ó -273,15 ºC).

El cero absoluto es una temperatura caracterizada por una configuración de entropía cero. Es la temperatura más fría teóricamente posible y no se puede alcanzar ni natural ni artificialmente. Una partícula en el cero absoluto estaría en reposo, por lo que tanto su posición como su momento serían conocidos simultáneamente, lo que violaría el principio de incertidumbre de Heisenberg. El objeto más frío conocido en el espacio está a 1K, la temperatura de operación del Instrumento de Alta Frecuencia (HFI, por sus siglas en inglés) del Planck es de 0,1 K y la más baja jamás conseguida ha sido de 0,0000000001K ó 100 pK (pico kelvins).

Aunque el cero absoluto no se puede alcanzar, los científicos del LIGO han usado tanto una fuerza de amortiguamiento sin fricción, que quita energía al espejo, y una fuerza restauradora magnética, que incrementa la frecuencia del oscilador con objeto de evitar las perturbaciones causadas por los movimientos del terreno, para enfriar el oscilador especular, que tiene una masa de 2,7 Kg., a 1,4 microkelvins (0,0000014 K). Este resultado sugiere que es posible usar el aparato para observar comportamientos mecanocuánticos, como el entrelazamiento, a escalas de masa que antes se pensaba que eran imposibles de conseguir en la práctica. Lo que se diseñó para medir la relatividad y fenómenos astrofísicos, puede convertirse en un valioso instrumento de la investigación en mecánica cuántica.

Referencia:

Abbott, B., et al . (2009). Observation of a kilogram-scale oscillator near its quantum ground state New Journal of Physics, 11 (7) DOI: 10.1088/1367-2630/11/7/073032