Cuando compra a través de enlaces en nuestros artículos, Future y sus socios de distribución pueden ganar una comisión.
Una ilustración de un universo formándose dentro de una burbuja microscópica. Una nueva investigación creó un análogo de «miniuniverso» a partir de una nube de átomos enfriados hasta casi el cero absoluto, y luego modeló cómo surgió el tiempo a partir del sistema en miniatura. | Crédito: Pobytov vía Getty Images
Por primera vez, un físico ha observado experimentalmente cómo emerge el tiempo desde dentro de un sistema cuántico aislado, creando un «miniuniverso». Este extraño experimento plantea una pregunta intrigante: si el universo no tiene nada fuera de él, ¿de dónde viene 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, como el propio universo, no tenía nada externo que pudiera utilizar como reloj. Dividió ese sistema en dos e ignoró una mitad (lo que llamó el «sector oscuro») para mostrar que el tiempo podría surgir enteramente desde dentro del sistema.
El resultado ofrece la primera mirada experimental sobre por qué el universo tiene tiempo. «Cuando juntas todo, las cosas realmente empiezan a tener sentido», dijo Barontini a WordsSideKick.com. «Cómo el tiempo dentro del sistema se aceleraba o desaceleraba, o incluso se detenía, fue bastante sorprendente, lo bien que todo funcionó. Muy claramente, en cierto modo. Lo cual es algo que no sucede tan a menudo en los experimentos».
El trabajo es una verificación experimental de ideas que han estado flotando en la cosmología cuántica y la termodinámica durante décadas. Esta no es una afirmación explosiva de que el tiempo es una ilusión, pero es la primera vez que alguien pone esas ideas a una prueba cuantitativa directa en el laboratorio.
Un universo sin nada afuera
Barontini se propuso analizar un problema que los físicos han desconcertado durante casi 60 años. La ecuación de Wheeler-DeWitt (una ecuación central 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 completo sin ningún parámetro de tiempo externo. No hay ningún reloj cósmico funcionando fuera del universo. Entonces, ¿de dónde viene nuestra experiencia del tiempo?
Una idea influyente, llamada tiempo relacional, dice que el tiempo no existe como ingrediente fundamental de la realidad. Más bien, surge de relaciones dentro del universo, en las que una parte del sistema actúa como un reloj para otra. Pero esta idea nunca había sido probada directamente en el laboratorio.
La inspiración de Barontini provino de ver a su hijo jugar con juguetes de construcción. «Pensé que es algo muy similar a lo que hacemos en nuestros laboratorios», dijo a WordsSideKick.com. «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 sólo cerca del cero absoluto. En un condensado de Bose-Einstein, miles de átomos se desaceleran hasta casi detenerse y se confunden en un solo objeto cuántico, comportándose como uno solo.
El experimento de la Universidad de Birmingham para atrapar y enfriar átomos de rubidio cerca del cero absoluto: el primer paso para ensamblar el miniuniverso. | Crédito: Universidad de Birmingham
El lado oscuro del tiempo
Para imitar 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 de cerca una mitad, el «sector brillante», e ignoró deliberadamente la otra mitad, a la que llamó el «sector oscuro».
Los átomos del sector brillante chapoteaban de un lado a otro en la trampa, desbordándose periódicamente sobre la barrera y regresando. Barontini llamó «Big Bang» a los momentos en que los átomos inundaron el sector brillante y «Big Crunch» a los momentos en que se drenaron (el apodo de una teoría de cómo terminará el universo, con el universo colapsando sobre sí mismo). Luego, rastreó cómo la entropía (una medida del desorden o la distribución de la energía dentro de un sistema) se intercambiaba entre las dos mitades cuando los átomos cruzaban la barrera.
En lugar de utilizar el tiempo de laboratorio para ordenar los acontecimientos, construyó un «tiempo entrópico», un reloj definido enteramente por la cantidad de entropía que fluía entre las dos mitades del sistema. Si la entropía fluía, el tiempo corría. Si no se intercambiaba entropía, el tiempo se detenía. «El intercambio de entropía entre los dos sistemas podría transformarse en una variable temporal interna», afirmó Barontini.
El tiempo se acelera, se ralentiza y se detiene.
Lo que más sorprendió a Barontini fue lo bien que encajaba todo. El tiempo entrópico interno ordenaba de forma fiable los acontecimientos en el sector luminoso. Coincidía con la secuencia observada en el tiempo de laboratorio, pero fluía a un ritmo diferente.
Cuando la entropía inundaba los sectores, el tiempo entrópico corría rápido. Cuando el intercambio se desaceleró, también lo hizo el reloj. Y cuando las dos mitades alcanzaron el equilibrio (ya no fluía más entropía), el reloj interno se detuvo por completo.
Tanto el tiempo como la flecha del tiempo tal vez simplemente nazcan de la ignorancia.
Giovanni Barontini, físico experimental de la Universidad de Birmingham
«El tiempo se aceleraba o desaceleraba, o incluso se detenía, dependiendo de lo que hacía 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 vio en el experimento. «Fue bastante sorprendente lo bien que todo funcionó», dijo, «muy claramente, en cierto modo, algo que no sucede tan a menudo en los experimentos».
Tanto el tiempo mismo como la flecha del tiempo (por qué el tiempo fluye en una dirección y no en la otra) pueden surgir de la misma fuente: un observador que proporciona información. Cuando Barontini decidió no mirar el sector oscuro, renunció al conocimiento de esa mitad del sistema. Ese acto de ignorancia, codificado en 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 observar, hay que renunciar a algunos grados de libertad».
Historias relacionadas
Barontini ve esto sólo como el comienzo. 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 los análogos de los agujeros negros, las condiciones del universo primitivo y lo que sucederá en el momento del propio Big Crunch.
«Estas son cosas que podemos hacer de manera 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.
