En un rincón de la Estación Espacial Internacional, lejos de la vista del ojo humano, hay un laboratorio que desafía nuestras intuiciones sobre cómo funciona el universo. Es del tamaño de una pequeña nevera, pero en su interior se están llevando a cabo experimentos que pueden transformar por completo nuestra comprensión de la gravedad, el tiempo y la materia. El Cold Atom Lab (CAL), un proyecto de la NASA, utiliza átomos ultrafríos para medir con una precisión inaudita vibraciones y otros efectos físicos en microgravedad.
Recientemente, los científicos han logrado algo inédito: realizar interferometría atómica con dos especies diferentes de átomos —rubidio y potasio— en el espacio. Este hito, recogido en un estudio publicado en Nature Communications, representa no solo una proeza técnica, sino un paso decisivo hacia pruebas cuánticas de los principios más fundamentales de la física, como la equivalencia de la caída libre. En otras palabras, están usando átomos para preguntarse si Einstein tenía razón, y lo están haciendo en órbita.
Un laboratorio cuántico en órbita
Desde 2018, el Cold Atom Lab opera a bordo de la Estación Espacial Internacional con un propósito ambicioso: estudiar el comportamiento de la materia en condiciones de microgravedad extrema. Su principal herramienta es la creación de condensados de Bose-Einstein, una forma de materia cuántica donde miles de átomos se comportan como una sola entidad. A temperaturas cercanas al cero absoluto, las diferencias entre partículas individuales desaparecen y emergen fenómenos colectivos imposibles de observar en la Tierra.
En este entorno privilegiado, la NASA ha conseguido producir por primera vez un condensado binario de rubidio-87 y potasio-41 en el espacio. Esta combinación de especies atómicas permite estudiar interacciones entre átomos distintos en condiciones sin la perturbación de la gravedad terrestre. Según el equipo científico, “estas condiciones permitirán investigar aspectos de la física de pocos cuerpos, la química cuántica y la física fundamental en regímenes novedosos sin la perturbadora asimetría de la gravedad”.
La técnica: interferometría atómica
Una de las herramientas más potentes que permite este experimento es la interferometría atómica, una técnica que explota la dualidad onda-partícula de los átomos. En esencia, se manipula una nube de átomos ultrafríos con haces de láser para que sus ondas se dividan, sigan caminos diferentes, y se vuelvan a recombinar. Si durante ese trayecto han sido afectadas por alguna fuerza —como la gravedad o una vibración— esa influencia queda registrada como un cambio en el patrón de interferencia.
En el caso del experimento en CAL, los científicos emplearon átomos de dos especies diferentes y los sometieron a un proceso de interferometría con láseres. El resultado fue la observación simultánea de patrones de interferencia en ambos tipos de átomos. “Aplicamos un interferómetro tipo Mach-Zehnder con una secuencia de tres pulsos π/2 − π − π/2 y un tiempo de interrogación de 0,5 milisegundos”, detalla el paper. Este tipo de configuración permite obtener una medida de la aceleración relativa entre los dos tipos de átomos.
Medir vibraciones con átomos
Uno de los descubrimientos más interesantes del estudio fue que los átomos ultrafríos actuaron como sensores de vibraciones a bordo de la ISS. Estas vibraciones son normales en un entorno orbital, donde pequeños cambios en presión, orientación o temperatura pueden generar movimientos imperceptibles para los instrumentos clásicos. Gracias a la extrema sensibilidad de la interferometría atómica, estas fluctuaciones pueden ahora medirse de forma directa.
La interferometría atómica también podría usarse para probar la teoría de la relatividad general de Einstein de nuevas maneras
Cass Sackett, Universidad de Virginia
El equipo registró variaciones sutiles en la posición y aceleración de los átomos, lo que confirma la utilidad de esta tecnología como un sensor de entornos espaciales. Además, se trata del primer experimento en el que se ha podido detectar de forma remota cambios en la frecuencia del láser del interferómetro mediante los propios átomos, una hazaña inédita en este tipo de entorno. Esta capacidad puede ser clave para mejorar la estabilidad y el rendimiento de misiones científicas futuras.
Desafiando la relatividad general
Más allá de sus aplicaciones prácticas, el experimento tiene un objetivo de largo alcance: probar la validez de la teoría de la relatividad general en condiciones cuánticas. En particular, se trata de poner a prueba la universalidad de la caída libre (UFF), un principio según el cual todos los objetos caen a la misma velocidad en un campo gravitatorio, independientemente de su composición.
Esta hipótesis ha sido verificada con precisión en experimentos clásicos, pero las teorías que intentan unificar la mecánica cuántica con la relatividad predicen posibles pequeñas violaciones de este principio. El uso de dos especies atómicas distintas permite comparaciones extremadamente precisas entre sus trayectorias, y detectar si alguna se desvía mínimamente.
Como explican los autores, “las condiciones creadas permiten preparar gases cuánticos de prueba múltiples en el espacio, un paso crítico para una prueba cuántica de la teoría de la relatividad general en el espacio”. Aunque el presente estudio aún no alcanza la sensibilidad necesaria para detectar desviaciones, sienta las bases para que futuras misiones logren ese objetivo.
Aplicaciones y futuro de la tecnología
El potencial de esta tecnología va más allá de la física teórica. En la práctica, sensores basados en interferometría atómica podrían utilizarse para mapear con precisión la estructura interna de planetas, detectar cambios en las capas de hielo terrestres o estudiar el movimiento de masas subterráneas de agua.
La misión GRACE-FO, actualmente operativa, ya usa sensores gravitacionales para medir estos fenómenos, pero un interferómetro atómico sería más preciso y estable. También permitiría nuevas formas de navegación sin GPS y una mejor caracterización de materiales planetarios en misiones de exploración.
Además, la experiencia de operar el Cold Atom Lab a distancia, sin intervención directa de astronautas, demuestra que estos sistemas son fiables y podrían instalarse en sondas o estaciones automáticas en otras partes del sistema solar. Como afirma el físico Cass Sackett, “esta tecnología podría ayudarnos a llenar los vacíos en nuestra comprensión de la física y darnos una imagen más completa de la realidad que habitamos”.
Referencias
- Williams, J. R., Sackett, C. A., Ahlers, H., Aveline, D. C., Boegel, P., et al. Pathfinder experiments with atom interferometry in the Cold Atom Lab onboard the International Space Station. Nature Communications, 15, 6414 (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-50585-6.
- lliott, E.R., Aveline, D.C., Bigelow, N.P. et al. Quantum gas mixtures and dual-species atom interferometry in space. Nature 623, 502–508 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06645-w.
Cortesía de Muy Interesante
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