Un físico de la Universidad de Birmingham ha creado un “mini universo” de laboratorio que acerca a los científicos a responder una de las preguntas más importantes de la física: ¿Qué es el tiempo?
En un estudio publicado por el Dr. Estudios de revisión física.El profesor Giovanni Barontini demuestra que es posible medir el tiempo sin depender de relojes. En cambio, el experimento muestra que una versión del tiempo puede surgir naturalmente del comportamiento de un sistema cuántico.
Por qué algunos físicos piensan que el tiempo no puede ser fundamental
Varias teorías de la física moderna sugieren que es posible que el tiempo no exista como propiedad inherente del universo. Un ejemplo es la ecuación de Wheeler-DeWitt, que describe el universo como un estado cuántico único sin reloj externo. En esta imagen, las partículas exhiben un comportamiento tanto de onda como de partícula, y el familiar flujo del tiempo debe surgir de la relación entre las diversas partes del sistema y no de un reloj independiente.
Para investigar esta idea experimentalmente, el profesor Barontini creó un “universo” cuántico simplificado utilizando una nube de 24.000 átomos ultrafríos enfriados a sólo unas pocas milmillonésimas por encima del cero absoluto. Los átomos fueron sellados dentro de un sistema de aislamiento y separados por una delgada barrera hecha de dos rayos láser de diferentes frecuencias. Esto creó dos regiones: una región observada (“brillante”) y una región no observada (“oscura”).
Un microcosmos con su propio sentido del tiempo
Dentro de este pequeño universo, la región brillante se expandió y contrajo repetidamente, un Big Crunch similar a una versión simplificada de un Big Bang, un evento hipotético en el que la expansión del Universo eventualmente se revierte.
Debido a que el sistema estaba completamente aislado, los investigadores pudieron reconstruir la secuencia de eventos utilizando únicamente información del interior del microcosmos, sin referencia a ningún reloj de laboratorio externo.
Los resultados muestran que el tiempo, en lugar de existir como un fondo independiente, puede surgir de cambios que ocurren dentro de un sistema cuántico que siempre avanza.
Cómo la entropía genera tiempo
El experimento reveló que el “tiempo” surgió de cambios en el desorden o dispersión (entropía), a medida que los átomos se movían entre regiones brillantes y oscuras. Junto con este movimiento, el sistema permaneció aislado del mundo exterior.
El sistema avanza efectivamente en el tiempo a medida que aumenta o disminuye la distribución de partículas en la región brillante. Cuando la distribución de partículas dejó de cambiar, el tiempo mismo se detuvo efectivamente.
El profesor Barontini se refiere a este concepto como “tiempo entrópico”. En el experimento, esta forma de tiempo:
- fluye en una dirección coherente, creando una clara “flecha del tiempo”.
- Los eventos se ordenan correctamente, incluso cuando el mini universo se expande y contrae.
- Puede acelerarse o ralentizarse dependiendo de cómo se redistribuya la entropía
El profesor Barontini dijo: “En algunas teorías del universo, en particular la gravedad cuántica, el tiempo no aparece como una característica incorporada. Sin embargo, en la vida cotidiana, el tiempo fluye del pasado al futuro. ¿A qué se debe esto, cuando la mayoría de las leyes fundamentales de la física funcionan igualmente hacia adelante y hacia atrás?
“Esta investigación proporciona la primera evidencia experimental controlada de que el ‘tiempo’ puede definirse por cambios dentro de un sistema en lugar del ‘reloj’ externo que consideramos tiempo. Proporciona nuevos conocimientos sobre la naturaleza del tiempo gravitacional cuántico que puede usarse para describir la dinámica con tanta eficacia como el tiempo convencional”.
Experimentando con 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, se puede expresar utilizando el tiempo entrópico. Esto significa que los científicos aún pueden predecir cómo evoluciona la “nube de probabilidad” de un sistema cuántico a lo largo del tiempo, incluso cuando el tiempo se define por fluctuaciones internas en lugar de relojes externos.
El trabajo aborda problemas de larga data en 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 estar en la propia evolución interna del sistema.
El profesor Barontini ha demostrado que el pequeño universo sigue las leyes estándar de la mecánica cuántica y permite probar ideas sobre la naturaleza del tiempo, que normalmente se limitan a teorías que describen el universo como un todo, en condiciones controladas de laboratorio.
Hacia experimentos con el Big Bang y los agujeros negros
Los miniuniversos proporcionan una valiosa plataforma experimental para probar los conceptos de cosmología cuántica y gravedad cuántica. En lugar de depender únicamente de modelos matemáticos, los científicos ahora podrán investigar ideas relacionadas con el universo primitivo mediante experimentos de laboratorio.
El equipo dijo que el mismo enfoque podría eventualmente extenderse a sistemas cuánticos más complejos, abriendo la puerta a experimentos que exploren teorías contrapuestas sobre la física del Big Bang, el “Big Crunch”, los agujeros negros simulados y cómo surgió el tiempo mismo.
