Por primera vez, un físico ha observado experimentalmente cómo el tiempo emerge del interior de un sistema cuántico aislado, mediante la creación de un “miniuniverso”. Este insólito experimento plantea una pregunta intrigante: si el universo no tiene nada fuera de él, ¿de dónde surge el tiempo?
En un nuevo estudio publicado el 11 de junio en la revista Physical Review Research, Giovanni Barontini, físico experimental de la Universidad de Birmingham en el Reino Unido, utilizó una nube de átomos ultrafríos para construir su miniuniverso. El sistema estaba tan bien aislado de su entorno que, al igual que el universo mismo, no tenía nada externo que pudiera servir como reloj. Dividió ese sistema en dos e ignoró una mitad —lo que denominó el “sector oscuro”— para demostrar que el tiempo podía surgir completamente desde dentro del sistema.
El resultado ofrece la primera visión experimental de por qué el universo tiene tiempo. “Cuando se juntan todos los elementos, las cosas empiezan a tener sentido”, declaró Barontini a Live Science. “Cómo el tiempo dentro del sistema se aceleraba, se ralentizaba o incluso se detenía… fue bastante sorprendente lo bien que encajaba todo. De una forma muy precisa, en cierto modo. Algo que no suele ocurrir en los experimentos”.
Este trabajo constituye una verificación experimental de ideas que llevan décadas presentes en la cosmología cuántica y la termodinámica. No se trata de una afirmación revolucionaria que demuestre que el tiempo es una ilusión, sino de la primera vez que se someten estas ideas a una prueba directa y cuantitativa en el laboratorio.
Un universo sin nada fuera
Barontini se propuso abordar un problema que ha intrigado a los físicos durante casi 60 años. La ecuación de Wheeler-DeWitt —una ecuación fundamental en la gravedad cuántica, el campo que busca unificar la teoría de la gravedad de Einstein con la mecánica cuántica— describe el universo como un sistema integral sin un parámetro temporal externo. No existe un reloj cósmico que marque el tiempo fuera del universo. Entonces, ¿de dónde proviene nuestra experiencia del tiempo?
Una idea influyente, denominada tiempo relacional, sostiene que el tiempo no existe como un ingrediente fundamental de la realidad. En cambio, surge de las relaciones dentro del universo, donde una parte del sistema actúa como reloj para otra. Sin embargo, esta idea nunca se había puesto a prueba directamente en el laboratorio.
La inspiración de Barontini surgió al ver a su hijo jugar con juguetes de construcción. “Pensé que era algo muy similar a lo que hacemos en nuestros laboratorios”, declaró a Live Science. “Jugamos con juguetes muy caros. Creamos nuestras propias pequeñas muestras de la realidad”.
En su laboratorio, esa muestra es un condensado de Bose-Einstein, un estado de la materia que se forma únicamente a temperaturas cercanas al cero absoluto. En un condensado de Bose-Einstein, miles de átomos se ralentizan hasta casi detenerse y se fusionan en un único objeto cuántico, comportándose como uno solo.
El lado oscuro del tiempo
Para simular un universo sin nada fuera de él, Barontini colocó el condensado en una trampa y lo dividió por la mitad con una fina lámina de luz láser. Observó atentamente una mitad, el “sector brillante”, e ignoró deliberadamente la otra mitad, a la que llamó el “sector oscuro”.
Los átomos del sector brillante se movían de un lado a otro en la trampa, desbordándose periódicamente por encima de la barrera y volviendo a entrar. Barontini denominó a los momentos en que los átomos inundaban el sector brillante el “Big Bang” y a los momentos en que salían de él el “Big Crunch” (el apodo de una teoría sobre cómo terminará el universo, con el universo colapsando sobre sí mismo). Luego, rastreó cómo se intercambiaba la entropía —una medida del desorden, o de cuán dispersa está la energía dentro de un sistema— entre las dos mitades a medida que los átomos cruzaban la barrera.
En lugar de utilizar el tiempo de laboratorio para ordenar los eventos, construyó un “tiempo entrópico”: un reloj definido enteramente por la cantidad de entropía que fluía entre las dos mitades del sistema. Si había flujo de entropía, el tiempo transcurría. Si no había intercambio de entropía, el tiempo se detenía. “El intercambio de entropía entre los dos sistemas podía transformarse en una variable de tiempo interna”, dijo Barontini.
El tiempo se acelera, se ralentiza y se detiene
Lo que más sorprendió a Barontini fue la perfecta sincronía de todo. El tiempo interno y entrópico ordenaba de forma fiable los acontecimientos en el sector brillante. Coincidía con la secuencia observada en el tiempo de laboratorio, pero transcurría a un ritmo diferente.
Cuando la entropía fluía sin cesar entre los sectores, el tiempo entrópico transcurría rápidamente. Cuando el intercambio se ralentizó, también lo hizo el reloj. Y cuando las dos mitades alcanzaron el equilibrio (sin flujo de entropía), el reloj interno se detuvo por completo.
“El tiempo se aceleraba, se ralentizaba o incluso se detenía, dependiendo de lo que estuviera haciendo el sistema”, dijo Barontini.
Luego fue un paso más allá: utilizando este tiempo interno, derivó una versión de la ecuación de Schrödinger y demostró que reproducía con precisión lo que había observado en el experimento. “Fue bastante sorprendente lo bien que todo encajó”, dijo, “de una manera muy precisa, algo que no suele ocurrir en los experimentos”.
Tanto el tiempo en sí como la flecha del tiempo —la razón por la que el tiempo fluye en una dirección y no en la otra— pueden tener el mismo origen: un observador que renuncia a información. Cuando Barontini optó por no observar el sector oscuro, renunció al conocimiento de esa mitad del sistema. Ese acto de ignorancia, codificado en la entropía, es lo que dio origen al tiempo en la otra mitad.
“Tanto el tiempo como la flecha del tiempo, tal vez simplemente nazcan de la ignorancia”, dijo Barontini. “Para tener tiempo y poder observar, hay que renunciar a ciertos grados de libertad”.
Barontini considera que esto es solo el principio. El mismo conjunto de herramientas de átomos fríos que generó un Big Bang y un Big Crunch en miniatura en su trampa podría, en principio, diseñarse para simular fenómenos mucho más exóticos, como análogos de agujeros negros, las condiciones del universo primitivo y lo que sucederá en el momento del Big Crunch.
“Son cosas que podemos hacer de forma muy sencilla, utilizando las herramientas que ya tenemos para diseñar nuestros sistemas”, afirmó.
El estudio es una prueba de concepto: una primera demostración de que los sistemas cuánticos controlados pueden servir como banco de pruebas para algunas preguntas sin respuesta en física. Por ahora, esas preguntas siguen abiertas.
Fuente: Live Science.