¿Qué es el tiempo? En física es una de las preguntas más antiguas y más incómodas. En la vida diaria lo medimos con relojes, pero en algunas de las teorías más ambiciosas de la física moderna el tiempo no aparece como algo dado. Un experimento de la Universidad de Birmingham (Reino Unido) intenta abordar esta cuestión en el laboratorio. Ha construido un pequeño «universo» de juguete con unos 24.000 átomos ultrafríos para comprobar si el paso del tiempo puede salir de los cambios internos del propio sistema.

El autor es el físico Giovanni Barontini. Este artículo es un resumen propio a partir de la nota de prensa de la universidad y de la cobertura publicada por ScienceDaily y ScienceAlert. No es una traducción. Los detalles técnicos finos deben consultarse en el trabajo original.

El problema: una física sin reloj

La física tiene dos grandes teorías que no terminan de encajar. La mecánica cuántica describe lo muy pequeño y trata el tiempo como un parámetro externo, una especie de cronómetro que marca el ritmo desde fuera. La relatividad general describe la gravedad y el cosmos, y en ella el tiempo forma parte del tejido del espacio-tiempo y puede estirarse o encogerse.

Al intentar unir ambas en una teoría de la gravedad cuántica, aparece lo que se conoce como el «problema del tiempo». En algunas formulaciones, las ecuaciones que describen el universo entero no contienen el tiempo como ingrediente básico. Si el universo es todo lo que existe, no hay un reloj «de fuera» que pueda medirlo. Una idea propuesta desde hace décadas es que el tiempo no sería fundamental. Surgiría de las relaciones entre las partes de un sistema, igual que la temperatura surge del movimiento de muchas moléculas sin que ninguna molécula aislada «tenga» temperatura.

Comprobar algo así con el universo real es imposible. Por eso Barontini optó por fabricar una versión en miniatura, aislada y controlable.

Cómo se construye un universo de bolsillo

El experimento parte de unos 24.000 átomos de rubidio enfriados hasta una fracción ínfima de grado por encima del cero absoluto. A esas temperaturas, los átomos forman un condensado de Bose-Einstein, un estado de la materia en el que se comportan colectivamente como si fueran una única onda cuántica. Es una herramienta habitual en los laboratorios de física atómica porque permite controlar y observar fenómenos cuánticos con mucha precisión.

El sistema está aislado del exterior y evoluciona repitiendo ciclos de expansión y contracción. Según la universidad, ese vaivén imita a pequeña escala un Big Bang seguido de un posible Big Crunch, el hipotético colapso final de un universo que dejara de expandirse y se replegara sobre sí mismo.

La clave del experimento está en cómo se ordenan los sucesos. En lugar de consultar un reloj de laboratorio, se reconstruye la secuencia de lo que ocurre a partir de cómo se reparten los átomos dentro del sistema. Barontini llama a este enfoque «tiempo entrópico». El orden de los acontecimientos se deduce del flujo de entropía, la magnitud que mide, a grandes rasgos, el desorden o el número de configuraciones posibles de un sistema.

• Sin reloj externo: el sistema no necesita un parámetro de fuera para saber qué ocurre antes y qué después.
• Flecha del tiempo: el tiempo así definido avanza en una sola dirección coherente, lo que en física se conoce como la flecha del tiempo.
• Ligado a la entropía: los cambios de entropía dentro del sistema son los que marcan el ritmo.

Lo que el experimento no demuestra

Algunos titulares han dicho que los científicos han «visto nacer el tiempo». Conviene matizarlo. El propio investigador reconoce que el experimento no prueba que el tiempo sea emergente en nuestro universo. Lo que muestra es que, en un sistema cuántico aislado y bien controlado, se puede definir un orden temporal coherente solo desde dentro.

Hay otras limitaciones importantes. El miniuniverso sigue las reglas de la mecánica cuántica estándar, no las ecuaciones completas de la relatividad general de Einstein. No hay gravedad real ni espacio-tiempo curvo de verdad: es un modelo análogo, del tipo que los físicos usan para estudiar en el laboratorio fenómenos inaccesibles de forma directa. Además, se trata del trabajo de un único grupo. Como cualquier resultado nuevo, necesitará que otros equipos lo reproduzcan y lo discutan.

Aun así, los simuladores cuánticos de este tipo se han convertido en un campo muy activo. Permiten poner a prueba ideas que hasta hace poco eran solo papel y lápiz, como el comportamiento de campos cuánticos en un universo en expansión.

Por qué importa

La pregunta de qué es el tiempo no es solo filosófica. Es uno de los obstáculos que separan a la física de una teoría que una lo cuántico y la gravedad. Este experimento no resuelve el enigma, pero lo saca de la pizarra y lo lleva a la mesa del laboratorio. Demuestra que la idea de un tiempo que surge de los cambios internos de un sistema se puede ensayar con átomos reales y medidas concretas. Si estos miniuniversos se vuelven más ricos y complejos, podrían convertirse en un banco de pruebas para algunas de las hipótesis más audaces sobre el origen del cosmos y el sentido de la flecha del tiempo.