Cuando en 2015 se detectaron por primera vez las ondas gravitacionales, muchos científicos hablaron de un nuevo sentido para observar el cosmos. Estas pequeñas vibraciones del espacio-tiempo, provocadas por eventos cósmicos catastróficos como la colisión de agujeros negros, no solo confirmaron una predicción de Einstein, sino que también abrieron una puerta a fenómenos que antes solo se intuían en el papel. Ahora, un físico teórico propone un paso más ambicioso: no solo detectar estas ondas, sino también manipularlas.
El físico Ralf Schützhold, del Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, ha diseñado un experimento que podría permitir por primera vez la transferencia de energía entre luz y ondas gravitacionales. La propuesta, publicada en Physical Review Letters, sugiere que este intercambio podría dejar señales detectables con la tecnología actual. Si se logra, sería el primer indicio experimental de que la gravedad también obedece las reglas cuánticas, una cuestión abierta desde hace décadas.
La idea central del experimento se basa en un concepto fundamental de la física cuántica: los cuantos de energía. Así como la luz está compuesta por fotones, la teoría cuántica de la gravedad postula que las ondas gravitacionales estarían formadas por gravitones, partículas que aún no han sido observadas. Según Schützhold, sería posible que un pulso de luz intercambie energía con una onda gravitacional. Ese intercambio se manifestaría como un leve cambio en la frecuencia de la luz, equivalente a la emisión o absorción de uno o más gravitones.
“El objetivo es observar señales de emisión o absorción estimulada de gravitones con la tecnología actual”, explica el autor en su artículo. Esto marcaría, en sus palabras, el paso “de la observación pasiva a la manipulación activa de un fenómeno natural como las ondas gravitacionales”. El enfoque recuerda, de forma deliberada, al famoso experimento de la cometa de Benjamin Franklin: un intento temerario pero visionario de pasar de mirar el rayo a intervenir en él.
Para detectar un cambio tan minúsculo, el experimento debe llevarse al límite de lo técnicamente posible. La propuesta de Schützhold contempla un sistema interferométrico basado en luz láser reflejada entre espejos. Pero no se trata de una configuración convencional: la luz debe recorrer una distancia óptica equivalente a un millón de kilómetros, algo que se logra haciendo rebotar los pulsos millones de veces dentro de un espacio físico de aproximadamente un kilómetro.
Esta ingeniería permite que la luz interactúe repetidamente con una onda gravitacional, amplificando las mínimas variaciones de frecuencia hasta que puedan ser detectadas. El mecanismo aprovecha los principios de interferencia: dos pulsos de luz que han atravesado caminos ligeramente distintos se superponen, y las diferencias en su energía —producto de la interacción con la gravedad— se revelan como un patrón en el detector final.
El objetivo es observar señales de emisión o absorción estimulada de gravitones con la tecnología actual
Ralf Schützhold
Según el paper, la clave está en sincronizar la dirección del pulso con los momentos en que la onda gravitacional cambia de fase. Así, al reflejar la luz en ángulos específicos cuando el campo gravitacional se encuentra en su punto de inflexión, se logra maximizar el efecto de transferencia de energía. Esta precisión en el tiempo y la orientación es esencial para lograr una señal medible.
Un aspecto crucial del experimento es que su éxito permitiría indagar en una de las preguntas más profundas de la física: ¿es la gravedad un fenómeno cuántico? Hasta ahora, las teorías cuánticas y la relatividad general han evolucionado por caminos separados. La propuesta de Schützhold ofrece una posible vía experimental para poner a prueba esta compatibilidad.
Como se indica en el estudio, si se llegara a medir un cambio de energía del orden de ℏω (la constante de Planck multiplicada por la frecuencia de la onda), “esto podría interpretarse como una señal inequívoca de emisión o absorción de gravitones por parte de la luz”. Además, el uso de estados cuánticos no clásicos de la luz, como los conocidos estados NOON, permitiría incluso estudiar la naturaleza cuántica del campo gravitacional mismo.
Estos estados de luz altamente entrelazados son extremadamente sensibles a variaciones de fase. Si tras el experimento se observan interferencias consistentes con el modelo cuántico, se fortalecería la idea de que la gravedad también puede existir en estados superpuestos, como otras entidades cuánticas. Por el contrario, si no se detectan estas señales, se pondría en entredicho la existencia del graviton tal como se concibe actualmente.
Aunque este experimento recuerda en algunos aspectos al Observatorio LIGO, famoso por haber detectado las primeras ondas gravitacionales, existen diferencias importantes. LIGO mide cómo las ondas gravitacionales deforman el espacio al paso de la luz láser por sus brazos. Pero el sistema propuesto por Schützhold no se basa en deformaciones del espacio, sino en cambios de energía de los fotones al interactuar con la onda gravitacional.
Otra diferencia clave está en la duración del experimento. Mientras que en LIGO la interacción entre luz y onda ocurre durante una fracción de segundo, en esta nueva propuesta la luz puede acumular efecto durante mucho más tiempo, lo que mejora la sensibilidad. El autor lo resume de manera precisa: “La diferencia radica en que, en nuestro sistema, el tiempo de acumulación de fase no está limitado por la duración de la onda gravitacional, sino por propiedades ópticas del montaje”.
Lograr este tipo de medición no es sencillo. Se requiere una fuente láser extremadamente estable, interferómetros de alta precisión, y una coordinación muy fina con detectores de ondas gravitacionales como LIGO, que pueden indicar cuándo pasará una onda por la Tierra. La propuesta contempla incluso el uso de trenes continuos de pulsos o láseres de onda continua para mejorar la probabilidad de detección.
El estudio también señala que, si se utilizan estados de luz cuánticamente entrelazados, se podría alcanzar una sensibilidad superior al límite clásico de medición. Aunque esto añade complejidad al experimento, la recompensa sería enorme: detectar diferencias de fase que permitan distinguir entre distintos estados cuánticos del campo gravitacional.
En resumen, no se trata solo de confirmar si el graviton existe o no, sino de abrir una ventana a cómo podría comportarse la gravedad en el mundo cuántico. Como advierte el propio Schützhold, “detectar una onda gravitacional en LIGO sin observar la transferencia de energía esperada en este nuevo esquema implicaría que algo fundamental se nos escapa”.
La propuesta de Ralf Schützhold es, a todas luces, una de las más audaces en el terreno de la física teórica reciente. Al igual que el experimento de Franklin marcó el paso de observar relámpagos a entender la electricidad, este nuevo enfoque aspira a transformar la forma en que interactuamos con uno de los fenómenos más esquivos del universo: la gravedad cuántica.
Aunque pasarán años —y probablemente décadas— antes de que se pueda realizar un experimento de esta magnitud, el camino está trazado. Y, como tantas veces ha ocurrido en la historia de la ciencia, la posibilidad de probar lo imposible puede acabar cambiando nuestras certezas más profundas.
Ralf Schützhold, Stimulated Emission or Absorption of Gravitons by Light, Physical Review Letters, vol. 135, 171501 (2025). DOI: 10.1103/xd97-c6d7
