Un físico de la Universidad de Birmingham ha creado un «mini universo» de laboratorio que acerca a los científicos a responder una de las preguntas más importantes de la física: ¿Qué es el tiempo?
En un estudio publicado en Investigación de revisión físicael profesor Giovanni Barontini demuestra que es posible medir el paso del tiempo sin depender de un reloj. En cambio, el experimento muestra que una versión del tiempo puede surgir naturalmente del comportamiento de un propio sistema cuántico.
Por qué algunos físicos piensan que el tiempo puede no ser fundamental
Varias teorías de la física moderna sugieren que es posible que el tiempo no exista como característica incorporada del universo. Un ejemplo es la ecuación de Wheeler-DeWitt, que describe el universo como un estado cuántico único sin reloj externo. En esta imagen, las partículas muestran un comportamiento tanto de onda como de partícula, y el familiar flujo del tiempo debe surgir de las relaciones entre diferentes partes del sistema y no de un reloj independiente.
Para investigar esta idea experimentalmente, el profesor Barontini creó un «universo» cuántico simplificado utilizando una nube de 24.000 átomos ultrafríos enfriados a sólo unas pocas milmillonésimas de grado por encima del cero absoluto. Los átomos fueron sellados dentro de un sistema aislado y separados por una delgada barrera creada con dos rayos láser de diferentes frecuencias. Esto produjo dos regiones: una región observada («brillante») y una región no observada («oscura»).
Un universo diminuto con su propio sentido del tiempo
Dentro de este universo en miniatura, la región brillante se expandió y contrajo repetidamente, asemejándose a una versión simplificada de un Big Bang seguido de un Big Crunch, un evento hipotético en el que la expansión del universo finalmente se revierte.
Debido a que el sistema estaba completamente aislado, los investigadores pudieron reconstruir la secuencia de eventos utilizando únicamente información del interior del mini universo, sin recurrir a ningún reloj de laboratorio externo.
Los resultados mostraron que el tiempo podría surgir de los cambios que tienen lugar dentro del sistema cuántico en lugar de existir como un fondo independiente que siempre avanza.
Cómo la entropía creó el tiempo
El experimento reveló que el «tiempo» surgía de cambios en el desorden o dispersión (entropía) de los átomos a medida que se movían entre las regiones brillantes y oscuras. Aparte de este movimiento, el sistema permaneció aislado del mundo exterior.
A medida que la distribución de partículas en la región brillante aumentaba o disminuía, el sistema efectivamente avanzaba en el tiempo. Cuando la distribución de partículas dejó de cambiar, el tiempo mismo se detuvo efectivamente.
El profesor Barontini se refiere a este concepto como «tiempo entrópico». En el experimento, esta forma de tiempo:
- Fluye en una dirección consistente, produciendo una clara «flecha del tiempo»
- Ordena correctamente los eventos, incluso cuando el mini universo se expande y contrae.
- Puede acelerarse o ralentizarse dependiendo de cómo se redistribuya la entropía
El profesor Barontini dijo: «En algunas teorías del universo, especialmente la gravedad cuántica, el tiempo no aparece como una característica incorporada. Sin embargo, en la vida cotidiana, el tiempo fluye del pasado al futuro. ¿Por qué es así, cuando la mayoría de las leyes básicas de la física funcionan de la misma manera hacia adelante y hacia atrás?
«Este estudio proporciona la primera evidencia experimental controlada de que el ‘tiempo’ puede definirse mediante cambios dentro de un sistema en lugar del ‘reloj’ externo que consideramos tiempo. Ofrece una nueva visión de la naturaleza del tiempo en la gravedad cuántica que podría usarse para describir la dinámica con la misma eficacia que el tiempo convencional».
Prueba de gravedad cuántica en el laboratorio
Los investigadores también descubrieron que una versión de la ecuación de Schrödinger, la ecuación fundamental de la mecánica cuántica, se puede expresar utilizando el tiempo entrópico. Esto significa que los científicos aún pueden predecir cómo evoluciona la «nube de probabilidad» de un sistema cuántico con el tiempo, incluso cuando el tiempo se define por cambios internos en lugar de un reloj externo.
El trabajo aborda un problema de larga data en física. Si ciertas teorías son correctas y el universo no tiene un reloj incorporado, ¿cómo se pueden colocar los eventos en el orden correcto? El experimento sugiere que la respuesta puede estar en la propia evolución interna del sistema.
El profesor Barontini demostró que el universo en miniatura sigue las leyes estándar de la mecánica cuántica y al mismo tiempo permite probar ideas sobre la naturaleza del tiempo, que normalmente se limitan a teorías que describen el universo completo, en condiciones controladas de laboratorio.
Hacia experimentos sobre el Big Bang y los agujeros negros
El mini universo proporciona una valiosa plataforma experimental para probar ideas en cosmología cuántica y gravedad cuántica. En lugar de depender únicamente de modelos matemáticos, los científicos ahora podrán investigar conceptos relacionados con el universo primitivo mediante experimentos de laboratorio.
El equipo dice que el mismo enfoque podría eventualmente ampliarse a sistemas cuánticos más complejos, abriendo la puerta a experimentos que exploren la física del Big Bang, el «Big Crunch», agujeros negros simulados y teorías contrapuestas sobre cómo surge el tiempo mismo.
