Crean un mini universo en laboratorio y observan cómo emerge el tiempo sin un reloj

¿Qué pasaría si el tiempo no fuera una parte fundamental del universo, sino algo que emerge de los cambios que ocurren dentro de él? Esta pregunta guió a un equipo de físicos de la Universidad de Birmingham a crear un mini universo en el laboratorio, ofreciendo una nueva perspectiva para investigar esta posibilidad.

Utilizando miles de átomos enfriados a temperaturas apenas superiores al cero absoluto, el profesor Giovanni Barontini demostró que el paso del tiempo puede ser medido sin depender de un reloj externo. En su lugar, una forma de tiempo surge de manera natural del comportamiento de las partículas dentro del sistema experimental.

Los hallazgos, publicados en Physical Review Research, proporcionaron evidencia experimental para una idea intrigante en la física teórica: el tiempo podría no ser un ingrediente esencial de la realidad, sino que podría surgir de las relaciones y cambios que ocurren dentro del universo mismo.

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

Generalmente, pensamos en el tiempo como algo que avanza continuamente, sin importar lo que suceda a nuestro alrededor. Sin embargo, algunas teorías físicas sugieren que el tiempo puede funcionar de manera muy diferente a niveles fundamentales. Un ejemplo es la ecuación de Wheeler-DeWitt, que aparece en los intentos de combinar la mecánica cuántica con la gravedad. En este marco, el universo puede ser descrito como un solo estado cuántico inmutable, sin un reloj externo que marque el paso del tiempo.

Esto genera un gran enigma: si el universo no tiene un reloj externo, ¿cómo puede suceder algo en un orden particular? ¿Qué determina qué eventos ocurren primero y cuáles suceden después?

Una posibilidad es que el tiempo emerja de las relaciones cambiantes entre las diferentes partes del universo. Barontini diseñó un experimento para investigar si tal proceso podría ser observado en el laboratorio.

Creando un mini universo con 24,000 átomos

Para construir su cosmos en miniatura, Barontini utilizó una nube de aproximadamente 24,000 átomos enfriados a solo unos pocos millonésimos de grado sobre el cero absoluto. A estas temperaturas extraordinariamente bajas, los efectos cuánticos se vuelven especialmente importantes, permitiendo a los investigadores estudiar comportamientos que normalmente son difíciles de observar.

Los átomos fueron confinados dentro de un sistema cuántico cuidadosamente controlado, diseñado para permanecer aislado de su entorno. Dos haces de láser que operaban a diferentes frecuencias crearon una barrera delgada que dividía el sistema en dos regiones: una región observada ('brillante') y una región no observada ('oscura').

A pesar de que el sistema en general estaba aislado del mundo exterior, los átomos podían moverse entre estas dos regiones. La región brillante experimentó ciclos repetidos de expansiones y contracciones, asemejando versiones simplificadas de dos eventos cosmológicos dramáticos: la expansión análoga al Big Bang y la contracción que se asemeja a un Big Crunch, un destino hipotético del universo en el que la expansión cósmica eventualmente se invierte y todo colapsa hacia adentro.

El experimento no recreó estos eventos cósmicos reales, sino que proporcionó un modelo cuántico simplificado en el cual los investigadores pudieron investigar cómo una secuencia de eventos podría ser reconstruida sin referirse a un reloj externo al sistema.

Cómo emergió el tiempo sin un reloj

La clave del experimento fue la entropía, un concepto en física asociado con la dispersión o desorden de las partículas y la energía. En lugar de utilizar segundos o minutos, Barontini desarrolló una forma de rastrear el tiempo a través de cambios en la distribución de átomos dentro del mini universo.

A medida que los átomos se movían entre las regiones brillante y oscura, la distribución de partículas en la región brillante cambiaba. Estos cambios proporcionaron una forma de definir el progreso del sistema a través del tiempo, incluso cuando la región brillante alternaba entre expansiones y contracciones.

Cuando la distribución de las partículas aumentaba o disminuía en su dispersión, el sistema continuaba avanzando de acuerdo con esta medida interna del tiempo. Cuando la distribución permanecía inalterada, el progreso de esta forma particular de tiempo se detenía efectivamente.

Es importante destacar que esto no significaba que el tiempo se detuviera literalmente en el laboratorio. Significaba que la medida interna del tiempo dejaba de avanzar cuando los cambios relevantes en el sistema desaparecían.

Barontini denominó a este concepto como "tiempo entrópico". El experimento demostró que esta forma de tiempo tiene varias propiedades importantes. Se mueve consistentemente en una dirección, estableciendo lo que los físicos llaman la "flecha del tiempo", la distinción entre pasado y futuro. También coloca los eventos en la secuencia correcta, incluso cuando el mini universo se expande y contrae.

Quizá lo más sorprendente es que el tiempo entrópico no siempre avanza a la misma velocidad. Su progreso puede acelerarse o desacelerarse dependiendo de cómo cambie la entropía dentro del sistema.

Una nueva pista sobre uno de los grandes misterios de la física

El profesor Barontini afirmó: "En algunas teorías del universo, especialmente en gravedad cuántica, el tiempo no aparece como una característica incorporada. Sin embargo, en la vida cotidiana, el tiempo fluye del pasado hacia el futuro. ¿Por qué es esto, cuando la mayoría de las leyes físicas funcionan igual hacia adelante y hacia atrás? Esta investigación proporciona la primera evidencia experimental controlada de que el 'tiempo' puede ser definido por cambios dentro de un sistema en lugar de como el 'reloj' externo que pensamos que es el tiempo. Ofrece una nueva perspectiva sobre la naturaleza del tiempo en la gravedad cuántica que podría ser utilizada para describir la dinámica tan eficazmente como el tiempo convencional.

La distinción entre el tiempo cotidiano y las leyes físicas subyacentes es especialmente importante. Muchas ecuaciones físicas fundamentales funcionan igualmente bien ya sea que el tiempo se invierta matemáticamente o se permita avanzar. Sin embargo, nuestra experiencia del mundo tiene una dirección clara: recordamos el pasado, no el futuro, y los eventos se desarrollan en una secuencia reconocible.

La entropía ha jugado un papel central en la explicación de esta diferencia. El experimento de Barontini lleva esa conexión más lejos al demostrar cómo los cambios en la entropía pueden proporcionar una medida operativa del tiempo dentro de un sistema cuántico controlado.

Los hallazgos también van más allá de simplemente organizar eventos en el orden correcto. Barontini demostró que una versión de la ecuación de Schrödinger, una de las ecuaciones fundamentales de la mecánica cuántica, puede expresarse utilizando el tiempo entrópico. Esta ecuación describe cómo evoluciona el estado cuántico de un sistema, incluidos los cambios en la probabilidad de encontrar partículas en ubicaciones o estados particulares.

En otras palabras, la medida de tiempo generada internamente podría seguir utilizándose para hacer predicciones sobre el comportamiento del sistema cuántico, tal como se utiliza el tiempo convencional en la mecánica cuántica estándar.

¿Podría un mini universo ayudar a explicar el Big Bang?

Durante décadas, las preguntas sobre el origen y la naturaleza fundamental del tiempo han pertenecido mayormente a la física teórica, particularmente a la cosmología cuántica y la gravedad cuántica. Estos campos intentan entender cómo se comporta el universo cuando deben considerarse los efectos cuánticos y la gravedad juntos, incluso bajo las condiciones extremas asociadas con el cosmos temprano.

El experimento de Barontini ofrece una manera de investigar algunas de estas ideas utilizando sistemas físicos que los científicos pueden crear, manipular y observar. El mini universo continuó obedeciendo las ecuaciones establecidas de la física cuántica mientras proporcionaba una forma diferente de describir su evolución. Esto lo convierte en un posible terreno de prueba valioso para teorías en las que no se supone que el tiempo exista independientemente del sistema que se estudia.

Experimentos futuros podrían extender este enfoque a sistemas cuánticos más complicados, permitiendo a los investigadores explorar modelos del Big Bang y el Big Crunch con mayor detalle. Técnicas similares podrían eventualmente ayudar a simular aspectos de agujeros negros o distinguir entre explicaciones en competencia sobre cómo emerge el tiempo.

El experimento no establece que el tiempo sea una ilusión ni prueba que nuestro universo carezca de un tiempo fundamental. En cambio, demuestra algo que antes era difícil de probar: un sistema cuántico puede poseer una medida interna de tiempo significativa sin depender de un reloj externo. Al crear un mini universo a partir de solo 24,000 átomos, los investigadores han obtenido una nueva herramienta experimental para investigar una pregunta que ha desafiado a físicos y filósofos durante siglos: ¿Qué hace que el tiempo fluya?

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