El mundo cuántico es asombrosamente contrario a la intuición: en las escalas más pequeñas, las cualidades físicas básicas como la posición y la velocidad son turbias, y el tiempo tal como lo conocemos no parece existir.
Estas peculiaridades cuánticas obstaculizan nuestro intento de comprender el Universo, la naturaleza de la existencia e incluso la calidad de la conciencia.
Los fundamentos matemáticos fundamentales de la física newtoniana, la mecánica cuántica, la relatividad y, más específicamente, la ecuación de Wheeler-DeWitt, sugieren que el tiempo no tiene una dirección incorporada y puede incluso desaparecer en el nivel más profundo.
Por el contrario, la segunda ley de la termodinámica ofrece una “flecha” del tiempo: el Universo comenzó en un estado ordenado, tal vez como un punto infinitamente denso, y se está volviendo cada vez más desordenado.
Entonces, para investigar la naturaleza del tiempo y si representa una propiedad fundamental de nuestro cosmos, Giovanni Barontini, físico de la Universidad de Birmingham, creó un “miniuniverso” desde cero, como se hace actualmente.
“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”, explica Barontini.
En un intento de hacer que el tiempo surja por sí solo, Barontini construyó su miniuniverso a partir de aproximadamente 24.000 átomos de rubidio enfriados a milmillonésimas de grado por encima del cero absoluto, formando un exótico átomo ‘fangoso’ llamado condensado de Bose-Einstein.
También conocido como quinto estado de la materia, esto ocurre cuando las partículas se enfrían hasta cerca del cero absoluto; pierden su individualidad y comienzan a comportarse como una “superpartícula” unificada y singular.
Barontini confinó esta sustancia alienígena en una trampa óptica dipolo, que la dividió en dos sectores mediante una barrera formada por el cruce de dos rayos láser de diferentes frecuencias.
Esta disposición produjo un sector “brillante” que se observó y un sector “oscuro” que permaneció sin observar, permitiendo que surgiera una sensación de tiempo a medida que los átomos se movían de un lado a otro entre los dos sectores.
Barontini compara estos sectores con las partes no observadas de nuestro Universo real: la materia oscura y la energía oscura.
En otras palabras, el movimiento de los átomos se convirtió en el reloj, proporcionando una sensación del tiempo basada en la acción de la entropía, en lugar del tictac de las manecillas de un reloj convencional.
“En el experimento, la parte observada del sistema intercambia átomos y entropía con la parte no observada. A partir de este intercambio de entropía, definimos un tiempo interno, ‘entrópico'”, dijo Barontini a ScienceAlert.
“Este tiempo aumenta cuando se intercambia entropía y se detiene cuando se detiene el intercambio de entropía”.
La oscilación de los átomos a través de la barrera se produjo rítmicamente, como ciclos repetidos de un Big Bang en expansión del universo seguido de un Big Crunch que estrelló el cosmos, similar a una hipótesis existente que propone que vivimos en un Universo en ciclos sin fin.
Como resultado, una sensación de tiempo surgió naturalmente de esta secuencia de eventos porque el flujo de entropía tiene una dirección y este ordenamiento basado en la entropía no retrocede.
“Una forma simplificada de decirlo es: el miniuniverso no necesita un parámetro externo para ordenar los eventos; su propio flujo de entropía dice qué evento viene después”, dijo Barontini.
Estos miniuniversos son un campo de pruebas invaluable para la física, ya que los sistemas de átomos fríos pueden diseñarse con precisión para explorar algunas de las mecánicas más misteriosas del Universo.
Para examinar cuestiones sobre el Big Bang o el potencial Big Crunch, “podemos cambiar la forma de la trampa, la altura de la barrera, las interacciones entre los átomos, el perfil de densidad y el acoplamiento entre diferentes regiones del sistema”, dijo Barontini a ScienceAlert.
“Por ejemplo, uno podría preguntarse si un aparente colapso se comporta como una singularidad o, por el contrario, se convierte en un rebote”.
De manera similar, uno puede aproximar los límites de los agujeros negros atrapando átomos en un lado del miniuniverso.
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El Big Bang y los agujeros negros fueron en sí mismos descubrimientos sorprendentes. Entonces, ¿quién puede adivinar qué iluminación se obtendrá al hurgar en universos en miniatura con una varilla cuántica?
Al crear un sistema cuántico controlado para probar cuantitativamente algunas de estas cuestiones matemáticas y físicas, los físicos también pueden estimular los aspectos confusos de la gravedad cuántica con la esperanza de alcanzar el sueño “imposible” de unir la relatividad general y la mecánica cuántica.
Por lo tanto, este trabajo “ofrece una nueva visión de la naturaleza del tiempo en la gravedad cuántica que podría usarse para describir la dinámica con la misma eficacia que el tiempo convencional”, concluye Barontini.
Esta investigación fue publicada en Physical Review Research.