Elimina todos los relojes del universo. Sin tic-tac, sin péndulos, sin átomos de cesio contando el segundo. Ahora hágase una pregunta que ha preocupado a los físicos durante la mayor parte de un siglo: ¿cómo sabríamos que algo está sucediendo? En algunas de nuestras teorías más profundas de la realidad, esto no es un experimento mental. Es la situación real.
Esa incómoda brecha entre las ecuaciones y la experiencia vivida tiene un nombre. Los físicos lo llaman el problema del tiempo, y durante décadas ha vivido casi por completo en el polvo de tiza y la abstracción.
En la Universidad de Birmingham, Giovanni Barontini lo ha arrastrado hasta una mesa de laboratorio. Enfrió aproximadamente 24.000 átomos de rubidio a unas pocas milmillonésimas de grado por encima del cero absoluto, hasta que se fusionaron en una única y brillante masa cuántica, y luego la dividió en dos con una pared de luz láser. Un lado lo podía mirar. El otro no lo pudo hacer deliberadamente. Resulta que el truco está en lo que eliges no mirar.
¿Por qué molestarse con todo esto? Porque algunas teorías de la física, la principal de ellas la ecuación de Wheeler-DeWitt, describen el universo como un único estado cuántico congelado sin ningún tiempo incorporado.
En esa imagen, el cosmos simplemente es, completo e inmutable, como un carrete de película colocado sobre una mesa en lugar de pasar por un proyector. Y, sin embargo, aquí estamos, envejeciendo, recordando, viendo cómo se enfría el café. El desafío es recuperar el río del tiempo que todos sentimos por ecuaciones que, francamente, nunca lo mencionan.
La respuesta de Barontini es dejar que una parte de su cosmos en miniatura mantenga el ritmo de la otra. “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?” él dice.
Un Big Bang en una botella
Aquí es donde la cosa se vuelve extraña y bastante encantadora. La mitad observada de la nube atómica, el sector “brillante”, no se queda ahí. Se hincha hacia afuera hasta alcanzar un máximo, luego se contrae y colapsa, desarrollándose todo un ciclo de vida cósmico en aproximadamente una décima de segundo: un diminuto Big Bang seguido de un igualmente diminuto Big Crunch, una y otra vez. Los átomos se filtran a través de la barrera láser hacia el sector “oscuro” oculto y regresan, y es precisamente este tráfico, esta dispersión y acumulación de partículas, lo que Barontini utiliza como su reloj. A la cantidad resultante la llama tiempo entrópico. Cuando cambia la dispersión de los átomos, el tiempo avanza. Cuando nada se difunde, el tiempo simplemente se detiene. No se requiere segunda mano externa.
Y la cosa realmente se comporta como debería hacerlo el tiempo. Corre en una dirección, dando una clara flecha del pasado al futuro. Ordena los eventos de cada expansión y colapso en la secuencia correcta.
Incluso se acelera y desacelera dependiendo de qué tan rápidamente la entropía chapotea entre los dos sectores, lo cual es una propiedad que ningún reloj común tiene y que resulta un poco desorientadora al pensar en ella. Si se eleva la barrera láser lo suficiente, el intercambio de entropía disminuirá hasta desaparecer; el pequeño universo deriva hacia lo que Barontini, tomando prestada la vieja frase cosmológica, llama una “muerte por calor”, un estado estacionario en el que el tiempo entrópico se detiene por completo. El tiempo no termina allí con una explosión. Simplemente se queda sin cosas para contar.
De la pizarra a la mesa de laboratorio
Resulta que la descripción reducida del sector brillante es estructuralmente una viva imagen de los llamados modelos minisuperespaciales que los cosmólogos cuánticos han garabateado durante años, universos de juguete despojados con sólo un puñado de partes móviles. Barontini fue más allá y escribió una versión de la ecuación de Schrödinger, el motor central de la mecánica cuántica, ejecutada no en tiempo de laboratorio sino en su tiempo entrópico, y luego demostró mediante simulación que reproduce lo que realmente hacían los átomos. Resulta que la mecánica cuántica ordinaria, estrictamente reversible, es sólo el caso especial que se da cuando no fluye entropía alguna.
Nada de esto significa que hayamos resuelto qué es el tiempo, y Barontini no pretende tanto. Es una nube aislada de átomos, un análogo, un sustituto, no el tejido genuino del espacio-tiempo.
Aún. “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”, dice, y agrega que el enfoque podría describir la dinámica con tanta eficacia como lo hace el tiempo convencional. Es una gran audacia poder demostrar en un banco en lugar de discutir en una pizarra.
Lo que lo convierte en algo más que una curiosidad es hacia dónde podría conducir. Preguntas que alguna vez estuvieron reservadas a los cosmólogos, si el Big Bang ocultó una verdadera singularidad o simplemente un rebote cuántico, cómo un agujero negro altera el orden de los eventos, si diferentes relojes internos en el mismo universo podrían no estar de acuerdo, de repente son cosas que, en principio, se podrían marcar y probar con láseres y gas frío. Barontini enumera entre las posibilidades los agujeros negros analógicos y la física del Big Crunch. El universo primitivo, reducido a algo que puedes colocar en una mesa y volver a utilizar mañana por la mañana.
Al final, el tiempo puede no ser un escenario en el que se desenvuelve el universo. Podría ser algo que hace el universo, un recuento de su propia inquietud. Y ahora, por primera vez, hay una pequeña cámara de cristal en Birmingham donde se puede observar cómo se lleva la cuenta.
DOI / Fuente: 10.1103/1h9j-df4k, Investigación de revisión física
Preguntas frecuentes
¿Cómo puede algo marcar el tiempo sin un reloj?
En lugar de contar los tics de un reloj exterior, el experimento rastrea qué tan dispersos están sus átomos, una medida de entropía. Cada vez que esa distribución cambia, el sistema efectivamente ha “avanzado” y cuando deja de cambiar, el tiempo también se detiene. Es una forma de leer el tiempo a partir del estado interno de un sistema en lugar de imponerlo desde fuera, y se comporta notablemente como el tiempo que realmente experimentamos.
¿Es esto realmente un universo o simplemente una metáfora inteligente?
Es un cosmos analógico, no literal. Unos cuantos miles de millones de átomos representan la totalidad de la realidad es un modelo deliberadamente simplificado. Pero la cuestión es que las mismas matemáticas utilizadas para describir universos de juguete en cosmología cuántica también describen esta nube de átomos, lo que significa que, por una vez, se pueden plantear y estimular cuestiones cósmicas abstractas en un laboratorio real.
¿Por qué los físicos dicen que el universo no tiene tiempo incorporado?
En ciertas teorías de la gravedad cuántica, en particular la ecuación de Wheeler-DeWitt, el cosmos se describe como un estado cuántico inmutable sin ningún parámetro externo. Esto choca frontalmente con nuestra sensación cotidiana de que el pasado fluye hacia el futuro. Conciliar ambos ha sido un problema persistente y abierto, y experimentos como este ofrecen una nueva manera de solucionarlo.
¿Podría este enfoque decirnos algo sobre el verdadero Big Bang?
No directamente, pero abre una puerta. Debido a que la nube de átomos recorre su propio Big Bang y Big Crunch en miniatura, los investigadores pueden, en principio, probar ideas en competencia, como por ejemplo si el cosmos comenzó en una verdadera singularidad o rebotó, en un entorno controlado. La misma plataforma también podría configurarse para imitar los agujeros negros, convirtiendo los experimentos mentales en mediciones.
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