Crean un mini universo donde el tiempo surge sin necesidad de un reloj

Un grupo de físicos de la Universidad de Birmingham ha creado un "mini universo" en un laboratorio, un avance que podría ayudar a responder una de las preguntas más complejas de la física: ¿qué es el tiempo?

En un estudio publicado en Physical Review Research, el Profesor Giovanni Barontini mostró que es posible medir el paso del tiempo sin la necesidad de un reloj. En cambio, el experimento demostró que una versión del tiempo puede surgir de manera natural a partir del comportamiento de un sistema cuántico.

¿Por qué algunos físicos piensan que el tiempo puede no ser fundamental?

Diversas teorías de la física moderna sugieren que el tiempo podría no existir como una característica inherente del universo. Un ejemplo es la ecuación de Wheeler-DeWitt, que describe el universo como un único estado cuántico sin un reloj externo. En este modelo, las partículas exhiben comportamientos tanto de ondas como de partículas, y el flujo familiar del tiempo debe surgir de las relaciones entre diferentes partes del sistema en lugar de un reloj independiente que marque el tiempo.

Para investigar esta idea de manera experimental, el Profesor Barontini creó un "universo" cuántico simplificado utilizando una nube de 24,000 átomos ultrafríos, enfriados a solo unos pocos milésimos de grado sobre el cero absoluto. Los átomos fueron sellados dentro de un sistema aislado y separados por una delgada barrera generada con dos haces láser de diferentes frecuencias. Esto creó dos regiones: una región observada ("brillante") y una región no observada ("oscura").

Un mini universo con su propio sentido del tiempo

Dentro de este mini universo, la región brillante se expandía y contraía repetidamente, asemejando una versión simplificada de un Big Bang seguido de un Big Crunch, un evento hipotético en el que la expansión del universo eventualmente se invierte.

Debido a que el sistema estaba completamente aislado, los investigadores pudieron reconstruir la secuencia de eventos utilizando solo la información proveniente del mini universo, sin referirse a ningún reloj externo del laboratorio.

Los resultados indicaron que el tiempo podría surgir de los cambios que ocurren 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" surgió de cambios en el desorden, o dispersión (entropía), de los átomos a medida que se movían entre las regiones brillante y oscura. 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 avanzaba efectivamente en el tiempo. Cuando la distribución de partículas dejaba de cambiar, el tiempo en sí mismo se detenía.

El Profesor Barontini se refirió 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 a medida que el mini universo se expande y contrae.
• Puede acelerarse o desacelerarse dependiendo de cómo se redistribuya la entropía.

El Profesor Barontini afirmó: "En algunas teorías del universo, especialmente la gravedad cuántica, el tiempo no aparece como una característica inherente. Sin embargo, en la vida cotidiana, el tiempo fluye del pasado hacia el futuro; ¿por qué es así, cuando la mayoría de las leyes básicas de la física funcionan igual hacia adelante y hacia atrás?"

"Este estudio proporciona la primera evidencia experimental controlada de que el 'tiempo' puede definirse por cambios dentro de un sistema en lugar de ser el 'reloj' externo que pensamos que es el tiempo. Ofrece nuevas perspectivas sobre la naturaleza del tiempo en la gravedad cuántica que podrían usarse para describir la dinámica tan efectivamente como el tiempo convencional."

Probando la gravedad cuántica en el laboratorio

Los investigadores también descubrieron que una versión de la ecuación de Schrödinger, la ecuación fundamental de la mecánica cuántica, puede expresarse utilizando el tiempo entrópico. Esto significa que los científicos pueden predecir cómo evoluciona la "nube de probabilidad" de un sistema cuántico a lo largo del tiempo, incluso cuando el tiempo se define por cambios internos en lugar de un reloj externo.

Este trabajo aborda un problema de larga data en la 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 residir en la evolución interna del sistema.

El Profesor Barontini demostró que el mini universo sigue las leyes estándar de la mecánica cuántica mientras permite probar ideas sobre la naturaleza del tiempo, que normalmente se confinan a teorías que describen todo el universo, en condiciones de laboratorio controladas.

Hacia experimentos sobre el Big Bang y agujeros negros

El mini universo proporciona una plataforma experimental valiosa para probar ideas en cosmología cuántica y gravedad cuántica. En lugar de depender solo de modelos matemáticos, los científicos ahora pueden investigar conceptos relacionados con el universo temprano a través de experimentos de laboratorio.

El equipo afirma que el mismo enfoque podría expandirse eventualmente 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 competidoras sobre cómo emerge el tiempo mismo.