Un miniuniverso de 24.000 átomos revela que el tiempo no necesita un reloj: así funciona

El experimento, publicado esta semana en Physical Review Research, se enfrenta a un rompecabezas que ha atormentado los cimientos de la física durante décadas. En las teorías de la gravedad cuántica, el tiempo no aparece como una característica intrínseca de la realidad. Sin embargo, experimentamos una clara flecha que va del pasado al futuro. El equipo de Birmingham, dirigido por el profesor Giovanni Barontini, se propuso probar si el tiempo puede surgir puramente del cambio; específicamente, de la forma en que las partículas se dispersan a través de un sistema, un concepto conocido como tiempo entrópico. Su respuesta, plasmada en una danza de mil ciclos de átomos ultrafríos, es un sí cauteloso.

Forjando un miniuniverso de 24.000 átomos en un laboratorio de Birmingham

El grupo de Barontini confinó los átomos de rubidio en una trampa óptica, enfriándolos hasta que el comportamiento cuántico se volvió dominante. Dos rayos láser trazaron una pared delgada a través de la nube, creando una región "brillante" que los investigadores podían observar directamente y un sector "oscuro" oculto a la vista. El lado brillante se expandía y contraía periódicamente, imitando la cosmología cíclica de un universo que revierte su expansión. Debido a que todo el sistema estaba aislado del entorno exterior, la única manera de reconstruir una línea temporal de eventos era inferirla a partir de la distribución de los átomos en su interior.

Los investigadores eligieron 24.000 átomos deliberadamente. Con menos, la señal estadística de los cambios de entropía sería demasiado ruidosa. Con más, la carga computacional se volvería inmanejable. A esta escala, la nube se comportaba como un universo simplificado lo suficientemente grande como para exhibir irreversibilidad termodinámica, pero lo suficientemente pequeño como para simularlo en una computadora clásica. Cada ciclo duraba aproximadamente una décima de segundo, y el equipo rastreó cientos de ciclos para establecer que el tiempo entrópico que definieron no solo se desviaba, sino que progresaba de manera fiable y en una sola dirección, incluso cuando la región brillante se contraía.

Tiempo entrópico: cómo el miniuniverso de 24.000 átomos genera su propio reloj

La idea detrás del tiempo entrópico es sencillamente reveladora: si nada cambia, no pasa el tiempo. Los investigadores vincularon el paso del tiempo a los cambios en la entropía de Shannon del sistema, una medida de cuán dispersos estaban los átomos. Cuando las regiones brillante y oscura intercambiaban partículas, la entropía cambiaba y, según su formulación, el tiempo avanzaba. Cuando la distribución de los átomos se asentaba en un estado estacionario, el tiempo se detenía, incluso si la función de onda cuántica subyacente continuaba evolucionando de una manera que, bajo el tiempo convencional, parecería dinámica.

El equipo de Barontini observó que este tiempo entrópico siempre apuntaba hacia adelante, incluso durante la fase de contracción que, en un cosmos real, representaría un Big Crunch. Nunca se invirtió, a pesar de que la física subyacente era simétrica respecto al tiempo. "En algunas teorías del universo, especialmente en la gravedad cuántica, el tiempo no aparece como una característica intrínseca", señaló Barontini. "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 igual hacia adelante y hacia atrás?". El experimento sugiere una respuesta: la flecha emerge únicamente del crecimiento de la entropía, no de un reloj fundamental.

Además, el ritmo del tiempo entrópico podría acelerarse o ralentizarse dependiendo de la rapidez con la que cambiara la entropía. Durante la expansión rápida, cuando los átomos fluían de la región brillante a la oscura, el tiempo entrópico avanzaba más rápido. Durante las contracciones lentas, se ralentizaba. Esto no es solo un truco filosófico. El equipo reescribió la ecuación de Schrödinger —la ecuación central de la mecánica cuántica— utilizando el tiempo entrópico como parámetro de evolución. Descubrieron que la evolución de la distribución de probabilidad de la nube atómica seguía siendo consistente con las predicciones cuánticas estándar, solo que con un parámetro temporal definido por el desorden en lugar de por un cronómetro de laboratorio.

Qué significa un miniuniverso de 24.000 átomos para la gravedad cuántica

El trabajo abre una rara ventana experimental a ideas que, en gran medida, se han limitado a cálculos en pizarra. Las teorías de la gravedad cuántica a menudo tienen problemas con el tiempo porque la relatividad general trata al tiempo como algo dinámico, mientras que la mecánica cuántica exige un reloj de fondo fijo. Si el tiempo puede surgir de la entropía en un entorno de laboratorio controlado, esto da crédito a los modelos en los que la flecha del tiempo del universo temprano no surgió de un reloj primordial, sino del rápido aumento de la entropía después del Big Bang.

El montaje de Barontini no es el primero en explorar el tiempo entrópico, pero es uno de los primeros en demostrarlo en un sistema cuántico de muchos cuerpos que puede monitorearse ciclo tras ciclo. Las propuestas anteriores se basaban en experimentos mentales abstractos u observaciones cosmológicas que no se pueden repetir. Aquí, el equipo pudo reiniciar el sistema y ver cómo la flecha volvía a emerger, apuntando siempre hacia adelante. "Ofrece una nueva perspectiva sobre la naturaleza del tiempo en la gravedad cuántica", dijo Barontini. "Podría usarse para describir la dinámica con la misma eficacia que el tiempo convencional".

La plataforma también une a dos comunidades que rara vez interactúan: los experimentalistas de átomos fríos y los teóricos de la gravedad cuántica. La misma tecnología de trampas ópticas que impulsa los mejores relojes atómicos podría ahora reutilizarse para investigar la naturaleza misma del tiempo. No se trata de construir un reloj mejor; se trata de preguntar si los relojes son necesarios en absoluto.

De las pizarras a los bancos de laboratorio: probando lo imposible de probar

Durante décadas, las preguntas sobre la emergencia del tiempo se situaron directamente en el ámbito de la física teórica. El experimento de Birmingham demuestra que al menos una versión de estas preguntas es ahora abordable experimentalmente. Al ajustar la barrera láser o el número de átomos, los investigadores podrían simular diferentes escenarios cosmológicos, desde expansiones aceleradas hasta estados finales similares a la muerte térmica. Barontini sugirió que la plataforma podría eventualmente usarse para investigar análogos de agujeros negros o para simular las condiciones del universo primitivo, donde los efectos cuánticos y gravitacionales coexisten.

Por supuesto, un gas de 24.000 átomos está muy lejos de ser un universo real. El sistema no es relativista y la gravedad no juega ningún papel. El tiempo entrópico definido aquí es un parámetro efectivo, no un campo fundamental. Los críticos pueden argumentar que el experimento simplemente sustituye una definición operacional del tiempo por otra, sin probar que el tiempo sea verdaderamente emergente. Pero el equipo de Birmingham nunca afirmó haber resuelto el debate; demostraron que, si se acepta la entropía como reloj, la mecánica cuántica sigue siendo consistente y la flecha del tiempo persiste. Esa es una condición necesaria —no suficiente— para que el tiempo entrópico sea físicamente significativo.

Un universo de laboratorio sin un reloj maestro

La implicación más amplia es que el tiempo puede no ser tan fundamental como suponemos. En la vida cotidiana, dependemos de relojes —fuentes de cesio, osciladores de cuarzo, la rotación de la Tierra— para sincronizar eventos. Pero al nivel más profundo, es posible que el universo no venga con un metrónomo incorporado. La experiencia de un presente en flujo podría ser una ilusión macroscópica que surge del implacable aumento del desorden. Mientras los átomos se movían entre las regiones brillante y oscura en la cámara de Barontini, no estaban midiendo el tiempo; lo estaban generando.

El experimento llega en un momento curioso para la física fundamental en Europa. El Futuro Colisionador Circular del CERN compite por miles de millones, mientras que los laboratorios nacionales luchan por mantener en funcionamiento las plataformas de átomos ultrafríos. El trabajo de Barontini, financiado a través de becas de investigación estándar del Reino Unido, costó una fracción de lo que cuesta un gran experimento de colisionador, pero toca cuestiones igual de profundas. Es un recordatorio de que los rompecabezas más profundos a veces caben en una mesa óptica.

El equipo planea investigar sistemas más complejos, incluidos aquellos con entrelazamiento, para ver si el tiempo entrópico se sostiene bajo toda la extrañeza de la mecánica cuántica. Si es así, la noción de un reloj universal puede retirarse lentamente de las leyes de la física, reemplazada, tal vez, por nada más que la dispersión irreversible de los átomos.

Por ahora, los 24.000 átomos en esa trampa de Birmingham han hecho algo silenciosamente notable: han demostrado que un universo puede funcionar solo con el cambio. Sin necesidad de reloj. Pero si este tiempo entrópico puede finalmente desbancar al tiempo convencional utilizado en cada libro de texto de física sigue siendo una pregunta abierta. Los átomos han presentado su caso. El resto depende de los teóricos y, como siempre, del próximo ciclo de financiación.

Fuentes

• Physical Review Research (artículo de investigación sobre el tiempo entrópico en un sistema cuántico de 24.000 átomos)
• Materiales de prensa de la Universidad de Birmingham
• EurekAlert multimedia (imágenes de la trampa de rubidio ultrafrío)