Un 'mini-universo' de 24.000 átomos demuestra que el tiempo emerge de la entropía, sin reloj alguno

El profesor Giovanni Barontini y su equipo en la Universidad de Birmingham han construido un "mini-universo" de sobremesa que ofrece una respuesta sorprendente a una de las preguntas más profundas de la física: ¿qué es el tiempo? Enfriando unos 24.000 átomos de rubidio-87 a solo unas milmillonésimas de grado por encima del cero absoluto, formando un condensado de Bose-Einstein, y dividiendo la nube con una fina barrera láser, los investigadores crearon un sistema cuántico cerrado con dos sectores diferenciados: uno brillante (observado) y otro oscuro (oculto). El experimento, publicado en Physical Review Research, proporciona la primera evidencia controlada en laboratorio de que una flecha del tiempo coherente puede surgir desde dentro de un sistema completamente aislado, basándose exclusivamente en el intercambio de entropía entre sus partes, sin necesidad de ningún reloj externo .

El montaje: un cosmos cuántico herméticamente sellado

El experimento aborda un antiguo rompecabezas teórico en gravedad cuántica conocido como el "problema del tiempo". En el marco de Wheeler–DeWitt —un enfoque canónico para unificar la mecánica cuántica y la relatividad general—, el universo en su conjunto se describe mediante una ecuación independiente del tiempo. Esto sugiere que el cosmos carece de un reloj externo incorporado. Si el tiempo es real, según esta línea de pensamiento, debe surgir de forma relacional desde dentro del propio sistema. El equipo de Barontini se propuso probar este concepto físicamente .

Crearon un condensado de Bose-Einstein —un estado de la materia en el que los átomos ultrafríos actúan como un único objeto cuántico coherente— y lo mantuvieron en una trampa conservativa independiente del tiempo. Una pared láser óptica, cuidadosamente ajustada, dividió esta nube en un sector "brillante" observado y un sector "oscuro" no observado, permitiendo que los átomos hicieran un túnel cuántico o cruzaran la barrera entre ambos. De manera crucial, la entropía fina del sistema global permanece constante, una característica definitoria de un sistema cerrado y aislado. Por lo tanto, cualquier cambio en la entropía gruesa del sector brillante debe deberse a un intercambio de entropía con el sector oscuro oculto .

Observando la flecha del tiempo

Con el sistema sellado y dividido, el equipo rastreó la evolución del sector brillante y descubrió una notable serie de análogos cosmológicos.

Ciclos de Big Bang y Big Crunch

El sector brillante se expandió repetidamente y luego se recolapsó a medida que los átomos cruzaban la barrera láser, un ciclo que imita un rebote cosmológico. El momento en que los átomos poblaron por primera vez el sector brillante se interpretó como un "Big Bang", mientras que su retorno completo al sector oscuro marcó un "Big Crunch". Este ciclo de rebote se repitió muchas veces, creando una historia cósmica en miniatura y repetitiva dentro del laboratorio .

El tiempo entrópico como reloj interno

A partir de este flujo y reflujo de átomos, los investigadores definieron un "tiempo entrópico". Dado que la entropía total del sistema se conserva, el movimiento direccional de átomos entre sectores creó un flujo de entropía medible y unidireccional en el sector brillante. Este flujo sirvió como un reloj interno fiable que exhibió varias propiedades sorprendentes:

• Una flecha consistente: El tiempo entrópico fluyó en una dirección fija, ordenando correctamente los eventos a lo largo de múltiples ciclos de expansión y recolapso.
• Velocidad variable: El reloj se aceleraba o ralentizaba dependiendo de la tasa de intercambio de entropía entre los sectores.
• Predicción precisa: Barontini derivó una ecuación efectiva similar a la de Schrödinger, parametrizada por este tiempo entrópico interno —no por el tiempo convencional de laboratorio—, y demostró que reproducía con precisión la evolución medida del sector brillante.

Muerte térmica y el fin del tiempo

Cuando la distribución de átomos entre los sectores brillante y oscuro finalmente se estabilizó y dejó de cambiar, el intercambio de entropía se detuvo. En ese momento, desde la perspectiva del sector observado, el tiempo efectivamente se paró: un análogo de la muerte térmica predicha para nuestro propio universo .

Por qué esto es importante para nuestra comprensión del universo

El experimento es relevante porque traslada una cuestión fundacional de la especulación teórica al ámbito de la física experimental. Al dividir un sistema cuántico cerrado y observar cómo el tiempo emerge únicamente de la dinámica de la entropía, el equipo proporcionó el primer banco de pruebas controlado para las construcciones de tiempo relacional. Sus hallazgos respaldan la idea de que el tiempo no es un telón de fondo externo y fundamental, sino más bien un fenómeno termodinámico que surge cuando un observador distingue un subsistema —de forma similar a la distinción entre los sectores brillante y oscuro— de un todo más amplio y atemporal. Este universo en miniatura de sobremesa ofrece ahora una nueva ventana empírica para explorar la física del cosmos real .