¿Arrastra la Tierra el espacio-tiempo? Un sensor cuántico podría ayudar a medir el efecto
Investigadores propusieron un sensor cuántico capaz de medir cómo la rotación de la Tierra arrastra el espacio-tiempo, un efecto predicho por la teoría de la relatividad de Einstein. El experimento utiliza helio superfluido enfriado dentro de un giroscopio.
Según la teoría de la relatividad general, los cuerpos masivos en rotación deforman el espacio-tiempo a su alrededor, produciendo un efecto conocido como frame-dragging (arrastre del marco de referencia). En este fenómeno, la rotación del objeto influye en la geometría del espacio-tiempo y afecta al movimiento de los cuerpos e instrumentos cercanos.
Aunque la Tierra es masiva a escala humana, su frame-dragging es muy pequeño en comparación con el producido por objetos astrofísicos más compactos y masivos. Por ello, el efecto terrestre resulta difícil de observar debido a otras influencias, como las perturbaciones gravitatorias.
Para investigar una nueva forma de medir este efecto, unos investigadores propusieron un sensor cuántico basado en helio superfluido. En este estado, el helio presenta propiedades cuánticas colectivas y puede mantener movimientos con baja disipación, características útiles para realizar mediciones de rotación.
Previsão de Einstein
La teoría de la relatividad general describe la gravedad como una consecuencia de la curvatura del espacio-tiempo, provocada por la masa y la energía. Cuando un cuerpo masivo se encuentra en rotación, este movimiento también modifica la geometría del espacio-tiempo a su alrededor, dando lugar al frame-dragging.
El efecto depende de las propiedades del objeto incluido su momento angular y es más intenso en las proximidades de cuerpos compactos, como los agujeros negros en rotación. En el caso de la Tierra, aunque la relatividad general predice este fenómeno, el arrastre es extremadamente débil, lo que dificulta su medición precisa.
¿Qué es un superfluido?
Un superfluido es un estado de la materia que presenta viscosidad nula, lo que le permite fluir sin disipar energía por fricción interna. Este comportamiento surge bajo condiciones específicas, generalmente a temperaturas bajas, cuando las partículas comienzan a presentar un comportamiento colectivo.
Un ejemplo es el helio-4, que se vuelve superfluido por debajo de aproximadamente 2,17 kelvin, cerca de −271 °C, a presión atmosférica. El material puede fluir a través de canales estrechos con una disipación muy baja. Los superfluidos son prometedores para sensores de alta precisión, incluidos los giroscopios cuánticos.
Sensor cuántico
El sensor cuántico propuesto por los investigadores utiliza helio-4 enfriado. El dispositivo consiste en un tubo en forma de anillo lleno de este líquido, diseñado para detectar variaciones en su movimiento. Cuando el dispositivo gira, surge una diferencia de fase que puede servir como señal de la rotación.
Para medir esta variación, los investigadores proponen realizar un seguimiento del movimiento de un diafragma mecánico conectado al circuito de helio superfluido. El principal desafío consiste en distinguir la señal relativista del ruido térmico, el cual puede generar fluctuaciones aleatorias en la fase cuántica y enmascarar el efecto que se busca detectar.
Resultados
El estudio indica que enfriar el sensor de helio superfluido a temperaturas inferiores al límite de 2,17 kelvin puede reducir el ruido térmico y aumentar su sensibilidad a la rotación. Un giroscopio que opere a cerca de 10 milikelvin podría alcanzar una precisión comparable o superior a la de las mejores mediciones anteriores.
Además de investigar el frame-dragging, el dispositivo podría permitir estudios de diferencias extremadamente pequeñas en el transcurso del tiempo. Los investigadores planean avanzar en la etapa experimental e investigar si el sensor podrá, en el futuro, poner a prueba efectos asociados a la gravedad cuántica.
Referencia de la noticia
Ellers et al. (2026). Quantum Sensing of Gravitational Frame Dragging with a Superfluid.