Un físico construyó un universo en miniatura dentro de un laboratorio y encontró la primera evidencia experimental de por qué existe el tiempo
Un experimento de la Universidad de Birmingham con átomos ultrafríos reproduce un Big Bang microscópico para demostrar por qué existe el tiempo
Las ecuaciones que describen el universo a su nivel más fundamental no contienen tiempo. Esto no es una afirmación filosófica: es un hecho matemático. La ecuación de Wheeler-DeWitt, que intenta describir el cosmos entero como un sistema cuántico, trata el universo como un estado estático e inmutable. No hay medidor externo que registre cómo evoluciona el universo desde fuera. Si esa ecuación es correcta, el tiempo que experimentamos no está tejido en la estructura fundamental de la realidad, sino que emerge de otra cosa, pero ¿de qué?. ¿De las relaciones entre las partes de un sistema? ¿Del cambio mismo?
Durante décadas, esa idea ha sido solo teórica. Un físico de la Universidad de Birmingham acaba de ponerla a prueba en un laboratorio.
Un universo de 24.000 átomos
El experimento de Barontini usó una nube de átomos de rubidio enfriada a unos pocos milmillonésimas de grado por encima del cero absoluto. A esa temperatura, los átomos entran en un estado llamado condensado de Bose-Einstein, en el que los efectos cuánticos dominan y toda la nube se comporta como un único objeto cuántico coherente. Barontini dividió esa nube en dos regiones mediante una barrera creada con dos haces láser de frecuencias diferentes: un sector "brillante" observable y un sector "oscuro" no observado. El sistema estaba sellado del mundo exterior, sin señales externas, sin marcas de tiempo del laboratorio, sin ninguna información de ningún reloj convencional.
Al ajustar la altura de la barrera, los átomos inundaron el sector oscuro hacia el brillante en lo que Barontini describe como un "Big Bang": una expansión repentina de materia hacia la región observable. El condensado alcanzó un máximo y luego se contrajo de vuelta en lo que llama un "Big Crunch". El ciclo completo duró 120 milisegundos.
La pregunta era si la secuencia de eventos dentro de ese universo en miniatura podía reconstruirse usando únicamente información del interior del sistema, sin ninguna referencia al reloj externo del laboratorio.
Lo que sirvió de reloj fue la entropía
La respuesta que encontró Barontini es que sí, pero el reloj que lo hace posible no es el tipo que usamos en la vida cotidiana. Es la entropía.
La entropía es una medida del desorden, de como están distribuidos y mezclados los componentes de un sistema. Cuando los átomos pasaban del sector oscuro al brillante, la entropía aumentaba: la distribución se extendía, se volvía más dispersa. Cuando los átomos regresaban, la entropía disminuía localmente. Y cuando nada se movía y la distribución era estable, la entropía era constante.
Barontini encontró que los cambios en esa cantidad entrópica podían definir una dirección y una secuencia para todos los eventos del universo en miniatura. Cuando la entropía cambiaba, el sistema avanzaba en el tiempo. Cuando la entropía dejaba de cambiar, el tiempo se detenía efectivamente. Los eventos dentro del mini universo podían ordenarse correctamente, desde el Big Bang hasta la máxima expansión y el Big Crunch, usando únicamente esa medida interna, sin ninguna referencia externa necesaria.
"Este estudio proporciona la primera evidencia experimental controlada de que el 'tiempo' puede definirse por los cambios dentro de un sistema en lugar de como el 'reloj que hace tic-tac' externo que pensamos que es el tiempo", señaló Barontini. "Ofrece nueva perspectiva sobre la naturaleza del tiempo en la gravedad cuántica".
Tres propiedades que lo hacen más que una curiosidad matemática
El tiempo entrópico que midió Barontini tenía tres características que lo convierten en un candidato creíble para una descripción física del tiempo y no meramente en una herramienta matemática.
Fluía en una dirección consistente. La segunda ley de la termodinámica sostiene que la entropía tiende a aumentar en sistemas aislados a lo largo del tiempo, y esa tendencia es precisamente lo que da al tiempo su flecha: la razón por la que el pasado es diferente del futuro, la razón por la que no se puede des-revolver la nata en el café. En el universo en miniatura, el tiempo entrópico heredó esa direccionalidad de forma natural, sin que fuera impuesta desde fuera.
Ordenó correctamente los eventos. A lo largo de todos los ciclos de expansión y contracción, el tiempo entrópico colocó cada evento en la secuencia correcta respecto a los demás. El Big Bang ocurrió antes de la expansión máxima. La expansión máxima ocurrió antes del Big Crunch.
No era uniforme. Dependiendo de cómo se redistribuía la entropía en cada momento, el tiempo entrópico podía acelerar o frenar. Cuando los átomos se movían rápidamente y la entropía cambiaba deprisa, el tiempo corría más rápido. Cuando el sistema estaba cerca del equilibrio y la entropía apenas variaba, el tiempo se detenía casi por completo. Esa variabilidad puede reflejar algo real sobre cómo el tiempo se relaciona con la tasa de cambio físico, una relación que filósofos y físicos han debatido durante siglos.
La conexión con el problema más grande de la física
La prueba práctica de si el tiempo entrópico es genuinamente útil como descripción física, y no solo como un constructo ad hoc, es si las ecuaciones estándar de la mecánica cuántica siguen funcionando cuando se expresan en sus términos. Barontini demostró que sí: derivó una versión efectiva de la ecuación de Schrödinger parametrizada por tiempo entrópico en lugar de por tiempo de laboratorio, y esa versión reprodujo con éxito la evolución medida del universo en miniatura.
Este resultado importa porque conecta el experimento con el problema central de la física teórica moderna: unificar la mecánica cuántica y la relatividad general. La mecánica cuántica necesita una variable de tiempo para describir la evolución de un sistema. La relatividad general trata el tiempo como algo que la geometría del espacio-tiempo define localmente, no como un fondo universal fijo. Si el tiempo puede emerger de la entropía sin necesitar un reloj externo, puede existir un camino hacia ecuaciones de mecánica cuántica que no asuman un fondo temporal fijo, que es exactamente lo que requeriría una teoría de la gravedad cuántica.
Lo que el experimento no prueba
Barontini es el único autor del paper y trabajó en una única institución. Los propios resultados requieren replicación independiente y escrutinio teórico más amplio. El universo en miniatura es una simplificación radical del universo real: 24.000 átomos en dos regiones frente al sistema de muchos cuerpos incomprensiblemente complejo que es el cosmos. Si la misma construcción de tiempo entrópico funcionaría en un sistema de magnitud mucho mayor es una pregunta abierta.
El experimento tampoco resuelve la pregunta filosófica de si el tiempo es real o simplemente una descripción útil. Lo que establece es que una construcción matemática particular del tiempo, una que no requiere ningún reloj externo y se apoya únicamente en los cambios de entropía interna, puede ser construida en un sistema de laboratorio y puede ordenar eventos correctamente dentro de ese sistema. La idea que durante décadas estuvo confinada a ecuaciones que describían el universo entero puede ahora ser puesta a prueba en condiciones controladas en una habitación de Birmingham.
Referencia
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