Se sabe que todas las fuerzas fundamentales del universo siguen las leyes de la mecánica cuántica, excepto una: la gravedad. Encontrar una forma de encajar la gravedad en la mecánica cuántica acercaría a los científicos a una «teoría del todo» que podría explicar por completo el funcionamiento del cosmos a partir de los primeros principios. Un primer paso crucial en esta búsqueda para saber si la gravedad es cuántica es detectar la partícula elemental de la gravedad, largamente postulada, el gravitón. En busca del gravitón, los físicos están recurriendo a experimentos con superconductores microscópicos, cristales en caída libre y el resplandor del Big Bang.

La mecánica cuántica sugiere que todo está hecho de cuantos, o paquetes de energía, que pueden comportarse tanto como una partícula como una onda; por ejemplo, los cuantos de luz se llaman fotones. La detección de gravitones, los hipotéticos cuantos de gravedad, demostraría que la gravedad es cuántica. El problema es que la gravedad es extraordinariamente débil. Para observar directamente los minúsculos efectos que tendría un gravitón sobre la materia, señaló el físico Freeman Dyson, un detector de gravitones tendría que ser tan masivo que se colapsara sobre sí mismo para formar un agujero negro.

«Uno de los problemas de las teorías de la gravedad cuántica es que sus predicciones suelen ser casi imposibles de comprobar experimentalmente», afirma el físico cuántico Richard Norte, de la Universidad Tecnológica de Delft (Países Bajos). «Esta es la razón principal por la que existen tantas teorías que compiten entre sí y por la que no hemos tenido éxito en la comprensión de cómo funciona realmente».

En 2015, sin embargo, el físico teórico James Quach, ahora en la Universidad de Adelaida en Australia, sugirió una manera de detectar gravitones aprovechando su naturaleza cuántica. La mecánica cuántica sugiere que el universo es intrínsecamente difuso; por ejemplo, nunca se puede conocer absolutamente la posición y el momento de una partícula al mismo tiempo. Una de las consecuencias de esta incertidumbre es que el vacío nunca está completamente vacío, sino que bulle con una «espuma cuántica» de las llamadas partículas virtuales que aparecen y desaparecen constantemente. Estas entidades fantasmales pueden ser cualquier tipo de cuantos, incluidos los gravitones.

Hace décadas, los científicos descubrieron que las partículas virtuales pueden generar fuerzas detectables. Por ejemplo, el efecto Casimir es la atracción o repulsión que se observa entre dos espejos colocados cerca en el vacío. Estas superficies reflectantes se mueven debido a la fuerza generada por los fotones virtuales que entran y salen de la existencia. Investigaciones anteriores sugerían que los superconductores podrían reflejar los gravitones con más fuerza que la materia normal, por lo que Quach calculó que la búsqueda de interacciones entre dos finas láminas superconductoras en el vacío podría revelar un efecto Casimir gravitatorio. La fuerza resultante podría ser aproximadamente 10 veces mayor que la esperada por el efecto Casimir estándar basado en los fotones virtuales.

Recientemente, Norte y sus colegas desarrollaron un microchip para realizar este experimento. Este chip contenía dos placas microscópicas recubiertas de aluminio que se enfriaron casi hasta el cero absoluto para que se volvieran superconductoras. Una de las placas estaba unida a un espejo móvil, al que se disparaba un láser. Si las placas se movían por un efecto Casimir gravitacional, la frecuencia de la luz que se reflejaba en el espejo se desplazaba de forma mensurable. Como se detalla en la edición en línea del 20 de julio de Physical Review Letters, los científicos no observaron ningún efecto Casimir gravitacional. Este resultado nulo no descarta necesariamente la existencia de gravitones y, por tanto, la naturaleza cuántica de la gravedad. Más bien, puede significar simplemente que los gravitones no interactúan con los superconductores con tanta fuerza como se estimaba en trabajos anteriores, dice el físico cuántico y premio Nobel Frank Wilczek, del Instituto Tecnológico de Massachusetts, que no participó en este estudio y no se sorprendió por sus resultados nulos. Aun así, dice Quach, este «fue un intento valiente de detectar gravitones».

Aunque el microchip de Norte no descubrió si la gravedad es cuántica, otros científicos están llevando a cabo una variedad de enfoques para encontrar efectos cuánticos gravitacionales. Por ejemplo, en 2017 dos estudios independientes sugirieron que si la gravedad es cuántica podría generar un vínculo conocido como «entrelazamiento» entre partículas, de modo que una partícula influye instantáneamente en otra sin importar en qué lugar del cosmos se encuentre cada una. Un experimento de mesa con rayos láser y diamantes microscópicos podría ayudar a buscar ese entrelazamiento basado en la gravedad. Los cristales se mantendrían en el vacío para evitar colisiones con los átomos, por lo que interactuarían entre sí únicamente a través de la gravedad. Los científicos dejarían caer estos diamantes al mismo tiempo y, si la gravedad es cuántica, la atracción gravitatoria que cada cristal ejerce sobre el otro podría entrelazarlos.

Los investigadores buscarían el entrelazamiento haciendo brillar láseres en el corazón de cada diamante después de la caída. Si las partículas de los centros de los cristales giran en un sentido, se harían fluorescentes, pero no lo harían si giran en el otro sentido. Si los giros de ambos cristales están sincronizados más a menudo de lo que el azar podría predecir, esto sugeriría un entrelazamiento. «Los experimentadores de todo el mundo sienten curiosidad por aceptar el reto», afirma el investigador de la gravedad cuántica Anupam Mazumdar, de la Universidad de Groningen (Países Bajos), coautor de uno de los estudios de entrelazamiento.

Otra estrategia para encontrar pruebas de la gravedad cuántica es observar la radiación cósmica de fondo de microondas, el tenue resplandor del Big Bang, dice el cosmólogo Alan Guth, del M.I.T. Los cuantos, como los gravitones, fluctúan como ondas, y las longitudes de onda más cortas tendrían las fluctuaciones más intensas. Cuando el cosmos se expandió de forma asombrosa en una fracción de segundo después del big bang, según el modelo cosmológico de Guth, conocido como inflación, estas longitudes de onda cortas se habrían extendido a escalas más largas en el universo. Esta evidencia de la gravedad cuántica podría ser visible como remolinos en la polarización, o alineación, de los fotones de la radiación cósmica de fondo de microondas.

Sin embargo, la intensidad de estos patrones de remolinos, conocidos como modos B, depende en gran medida de la energía exacta y el momento de la inflación. «Algunas versiones de la inflación predicen que estos modos B deberían encontrarse pronto, mientras que otras versiones predicen que los modos B son tan débiles que nunca habrá esperanza de detectarlos», dice Guth. «Pero si se encuentran, y las propiedades coinciden con las expectativas de la inflación, sería una prueba muy sólida de que la gravedad está cuantizada».»

Una forma más de averiguar si la gravedad es cuántica es buscar directamente las fluctuaciones cuánticas en las ondas gravitacionales, que se cree que están formadas por gravitones que se generaron poco después del big bang. El Observatorio de Ondas Gravitacionales por Interferómetro Láser (LIGO) detectó por primera vez las ondas gravitacionales en 2016, pero no es lo suficientemente sensible como para detectar las ondas gravitacionales fluctuantes en el universo temprano que la inflación estiró a escalas cósmicas, dice Guth. Un observatorio de ondas gravitacionales en el espacio, como la Antena Espacial de Interferometría Láser (LISA), podría detectar potencialmente estas ondas, añade Wilczek.

Sin embargo, en un artículo recientemente aceptado por la revista Classical and Quantum Gravity, el astrofísico Richard Lieu, de la Universidad de Alabama, en Huntsville, sostiene que LIGO debería haber detectado ya los gravitones si llevan tanta energía como sugieren algunos modelos actuales de la física de partículas. Podría ser que el gravitón simplemente lleve menos energía de la esperada, pero Lieu sugiere que también podría significar que el gravitón no existe. «Si el gravitón no existe en absoluto, será una buena noticia para la mayoría de los físicos, ya que lo hemos pasado muy mal a la hora de desarrollar una teoría de la gravedad cuántica», dice Lieu.

Aún así, idear teorías que eliminen el gravitón puede no ser más fácil que idear teorías que lo mantengan. «Desde un punto de vista teórico, es muy difícil imaginar cómo la gravedad podría evitar ser cuantificada», dice Guth. «No conozco ninguna teoría sensata sobre cómo la gravedad clásica podría interactuar con la materia cuántica, y no puedo imaginar cómo podría funcionar una teoría así».