Un experimento con 24.000 átomos ultrafríos de rubidio sugiere que el tiempo no es fundamental para el universo y podría no ser una de sus propiedades

La mayoría de nosotros da por sentado que el tiempo existe. No porque hayamos reflexionado demasiado sobre ello, sino porque cada aspecto de nuestra vida parece confirmarlo. Los relojes avanzan, los calendarios cambian y los acontecimientos se suceden en un orden tan familiar que rara vez nos detenemos a cuestionarlo.

Sin embargo, algunas de las teorías más ambiciosas de la física moderna llevan décadas tropezando con una dificultad sorprendente: las ecuaciones más profundas de la gravedad cuántica eliminan el tiempo del escenario y describen una realidad física en la que esa variable aparentemente indispensable no aparece por ninguna parte.

La consecuencia resulta perturbadora. Si las leyes más básicas pueden formularse sin recurrir al tiempo, quizá este no constituya un ingrediente constitutivo de la realidad. Tal vez sea la consecuencia de algo más elemental; una especie de fenómeno emergente que aflora cuando determinados sistemas evolucionan y generan transformaciones internas.

Esa posibilidad acaba de recibir un respaldo experimental inesperado, según podemos leer en la revista Physical Review Research. Un equipo de la Universidad de Birmingham, dirigido por Giovanni Barontini, ha utilizado 24.000 átomos ultrafríos de rubidio para construir una arquitectura cuántica capaz de generar una referencia cronológica propia sin depender de ningún reloj externo.

El tiempo podría no estar donde creemos

A primera vista, la idea parece absurda. ¿Cómo puede existir un reloj sin reloj? La pregunta recuerda a esos juegos filosóficos que parecen diseñados para provocar dolores de cabeza en estudiantes de primer curso. Y, sin embargo, detrás de ella se esconde uno de los desafíos más serios de la física contemporánea.

Los investigadores llevan décadas intentando reconciliar la gravedad con la mecánica cuántica y, en ese esfuerzo, han descubierto que el concepto de tiempo se vuelve sorprendentemente escurridizo. Mientras la relatividad general lo incorpora como parte de la estructura del cosmos, varias aproximaciones a la gravedad cuántica funcionan de una manera muy distinta.

La ecuación de Wheeler-DeWitt constituye uno de los ejemplos más conocidos. En ella surge una descripción matemática del universo completo, pero no existe un reloj cósmico que marque el paso de los segundos. Todo queda representado como un estado global que, en cierto sentido, permanece inmóvil.

En la ecuación de Wheeler-DeWitt, surge una descripción matemática del universo completo, pero no existe un reloj cósmico que marque el paso de los segundos.

La paradoja no consiste en que no sepamos qué es el tiempo, sino en que algunas de nuestras mejores teorías parecen arreglárselas perfectamente sin él. Y la cuestión adquiere una dimensión todavía más fascinante cuando se plantea de otra manera: si el tiempo no figura en los cimientos de la realidad, ¿de dónde procede la sensación de pasado, presente y futuro que experimentamos constantemente?

Un universo en miniatura dentro de un laboratorio

Responder a esa pregunta exige algo más que ecuaciones. También requiere ensayos capaces de poner a prueba ideas que, hasta hace poco, pertenecían casi exclusivamente al ámbito de la cosmología teórica.

El equipo de Birmingham creó un entorno cuántico aislado que reproduce algunas características matemáticas de un cosmos simplificado. No se trata de una recreación literal del universo, por supuesto. Nadie ha encerrado galaxias en una cámara de vacío. El término “miniuniverso” funciona aquí como una analogía para describir una configuración extremadamente controlada.

Los científicos enfriaron 24.000 átomos de rubidio hasta temperaturas cercanas al cero absoluto. En ese régimen extremo, la materia comienza a exhibir comportamientos colectivos que no aparecen en condiciones corrientes y que permiten examinar cuestiones nucleares con una precisión extraordinaria.

La nube atómica quedó dividida mediante láseres en regiones diferenciadas. Algunas zonas podían observarse directamente; otras permanecían ocultas. Esa disposición permitió analizar cómo cambiaba el sistema sin recurrir a una referencia temporal convencional.

El detalle crucial es que el condensado evolucionaba con un hamiltoniano, la ecuación que gobierna su comportamiento físico, independiente del tiempo y apenas sufría pérdidas medibles durante la ventana experimental. En la práctica, el dispositivo se comportaba como un entorno casi cerrado, una condición indispensable para explorar cómo podría emerger el tiempo en un cosmos sin relojes externos.

El dispositivo se comportaba como un entorno casi cerrado, una condición indispensable para explorar cómo podría emerger el tiempo en un cosmos sin relojes externos.

Lo llamativo es que la investigación no buscaba medir el tiempo de la manera habitual, sino averiguar si una noción temporal podía manifestarse espontáneamente desde el interior de la propia configuración.

Un reloj que funciona sin reloj

La expresión parece un oxímoron, pero describe con bastante fidelidad lo que ocurrió. Los cambios internos de la nube atómica generaron una referencia temporal autónoma que permitió reconstruir el orden de los acontecimientos sin consultar ningún cronómetro externo. Dicho de otro modo, la propia dinámica del sistema contenía la información necesaria para establecer qué había ocurrido antes y qué después.

Eso convierte el estudio en algo más que una curiosidad técnica. En lugar de imponer una escala temporal desde fuera, los autores dejaron que la dinámica interna produjera su propio marco de referencia. La diferencia puede parecer sutil, aunque resulta decisiva. Un reloj convencional mide el tiempo. Este montaje, en cambio, sugiere que la noción temporal podría derivarse de procesos físicos más básicos.

Así, quizá el tiempo no sea un escenario sobre el que ocurren los acontecimientos; quizá sea una característica que emerge precisamente porque esos acontecimientos suceden.

El resultado fue lo bastante sólido como para ordenar correctamente la evolución del sector observable a lo largo de sucesivos ciclos de expansión y contracción. Pero el equipo fue un paso más allá.

Una vez definida esa referencia temporal emergente, derivó una versión efectiva de la ecuación de Schrödinger parametrizada por dicho tiempo interno y comprobó que era capaz de reproducir cuantitativamente la dinámica registrada durante la prueba.

No se limitó, por tanto, a proponer una nueva forma de medir el tiempo, sino que mostró que esa noción podía incorporarse a una descripción matemática capaz de reflejar el comportamiento real del sistema.

Quizá el tiempo no sea un escenario sobre el que ocurren los acontecimientos; quizá sea una característica que emerge precisamente porque esos acontecimientos suceden.

Del Big Bang al Big Crunch en una nube de átomos

Uno de los aspectos más sugestivos del trabajo aparece cuando se examina la dinámica interna de la arquitectura experimental. La nube de rubidio no permanecía estática. Su comportamiento recordaba, de manera muy simplificada, a algunos de los procesos que los cosmólogos utilizan para reconstruir la historia del cosmos.

La nube cuántica atravesó ciclos de expansión y contracción análogos a un Big Bang y un Big Crunch dentro de un entorno completamente controlado. Conviene, no obstante, no llevar demasiado lejos la comparación: nadie observó galaxias naciendo ni estrellas colapsando. Lo que afloró fueron patrones matemáticos equivalentes a los que surgen en determinados modelos cosmológicos.

Esa similitud permitió a los científicos seguir la trayectoria del sistema y analizar cómo se configuraba una dirección temporal reconocible. A medida que variaba la distribución de partículas, también lo hacía la información disponible para reconstruir la secuencia de sucesos.

El resultado posee una dimensión casi poética. En lugar de contemplar la historia de la realidad cósmica a través de telescopios capaces de escrutar miles de millones de años luz, los físicos exploraron una versión extraordinariamente reducida del problema en una nube de átomos confinada dentro de un laboratorio. Y la ventaja de este enfoque resulta evidente: mientras el universo real solo ofrece una única historia cósmica, estos dispositivos pueden prepararse repetidamente y estudiarse bajo condiciones diferentes.

Qué es el tiempo entrópico

Todo ello conduce al concepto más relevante del estudio: el llamado tiempo entrópico. Los autores definieron una escala cronológica basada en la evolución de la entropía del sistema en lugar de utilizar un reloj convencional. La entropía suele asociarse al grado de desorden de un conjunto físico, aunque esa descripción simplifica bastante una idea mucho más rica.

Lo esencial es que la entropía proporciona una dirección. Un vaso que cae al suelo y se rompe genera una configuración mucho más probable que la situación inicial. La película resulta perfectamente comprensible cuando avanza hacia delante y extrañísima cuando se reproduce al revés. Y en la investigación ocurrió algo parecido. Las transformaciones internas de la nube cuántica permitieron identificar una secuencia ordenada de sucesos. Esa progresión actuaba como una referencia temporal emergente.

La escala temporal circula con mayor rapidez cuando aumenta el intercambio de entropía entre las regiones observable y oculta, se ralentiza cuando disminuye y puede llegar a detenerse cuando deja de producirse transferencia entrópica.

La propuesta presenta otra característica especialmente llamativa. Según los autores, esta escala no avanza siempre al mismo ritmo: circula con mayor rapidez cuando aumenta el intercambio de entropía entre las regiones observable y oculta, se ralentiza cuando dicho intercambio disminuye y puede llegar a detenerse por completo cuando deja de producirse transferencia entrópica.

Ese último escenario resulta particularmente revelador. Para el reloj del laboratorio sigue transcurriendo el tiempo, pero para el marcador interno definido por la propia arquitectura no ocurre nada de nada. Desde la perspectiva entrópica, el paso del tiempo queda congelado.

Los investigadores observaron además que, al elevar la barrera que separa ambos sectores, el intercambio entrópico se reducía gradualmente hasta conducir a un estado estacionario descrito como una especie de muerte térmica. En ese punto desaparecen las transformaciones capaces de alimentar el reloj interno y el tiempo entrópico deja de avanzar.

La idea recuerda a ciertos escenarios cosmológicos en los que el cosmos termina alcanzando un equilibrio máximo y deja de experimentar cambios significativos. En el laboratorio, ese desenlace no llega tras billones de años, sino dentro de una nube de átomos ultrafríos.

Una vieja paradoja de la física teórica

La investigación no nació para fabricar relojes exóticos. Su objetivo se encuentra mucho más cerca de una pregunta que lleva décadas inquietando a los físicos teóricos. Porque la gravedad cuántica plantea una realidad cósmica en la que el tiempo deja de ocupar un papel primordial. Ese escenario resulta difícil de aceptar, ya que contradice nuestra experiencia cotidiana. Todo parece ocurrir en el tiempo; incluso leer estas líneas requiere una secuencia temporal.

Sin embargo, las matemáticas no siempre respetan nuestras intuiciones. Algunas formulaciones de la gravedad cuántica describen estados globales en los que la variable temporal simplemente no aparece. La realidad quedaría definida por relaciones entre componentes físicos, no por un reloj universal que avanzara de forma inexorable.

La dificultad consiste en explicar cómo emerge entonces la experiencia temporal que percibimos. Ahí es donde trabajos como este adquieren interés, puesto que permiten explorar mecanismos mediante los cuales una dirección cronológica puede surgir desde el interior de un sistema. Y, si este enigma ha permanecido durante mucho tiempo casi exclusivamente en el terreno de la especulación teórica, hoy comienza a abrirse paso en el laboratorio.

¿Y si el tiempo fuera una consecuencia y no una causa?

La idea puede parecer extravagante, pero no sería la primera vez que una característica aparentemente constitutiva acaba revelándose como un fenómeno emergente. La física moderna ha demostrado que algunas propiedades macroscópicas brotan de procesos más elementales que no las contienen de manera explícita. La temperatura constituye un ejemplo clásico: ningún átomo individual posee temperatura; esa magnitud surge cuando se contempla el comportamiento colectivo de enormes cantidades de partículas.

Algunos especialistas sospechan que el tiempo podría encajar en una categoría similar. No sería un ingrediente esencial del cosmos, sino una manifestación derivada de relaciones más profundas.

El nuevo experimento no demuestra que el tiempo sea una ilusión ni invalida los marcos teóricos actuales; aporta una vía experimental para estudiar una pregunta que parecía inaccesible.

Naturalmente, este trabajo no resuelve por sí solo una cuestión tan gigantesca. No demuestra que el tiempo sea una ilusión ni invalida los marcos teóricos actuales. Lo que aporta es algo mucho más valioso: una vía experimental para estudiar una pregunta que hasta hace poco parecía inaccesible. Y ese cambio de perspectiva resulta notable. Cuando una hipótesis abandona el territorio puramente filosófico y comienza a generar predicciones contrastables, la discusión adquiere una naturaleza completamente distinta.

Del problema del tiempo a un laboratorio para explorar el universo

Sería fácil quedarse con la imagen de los 24.000 átomos ultrafríos de rubidio o con la idea de un reloj que funciona sin reloj. Ambas cosas son fascinantes. No obstante, el verdadero alcance del estudio se encuentra en otro lugar: transforma un debate cosmológico en una cuestión que puede examinarse experimentalmente. Esa transición abre posibilidades que van mucho más allá de esta arquitectura concreta.

Uno de los resultados más sólidos fue comprobar que la ecuación de Schrödinger formulada en tiempo entrópico reproducía con gran precisión la evolución observada. Eso significa que la nueva referencia temporal no funciona únicamente como una herramienta conceptual, sino también como una variable útil para describir matemáticamente el comportamiento del sistema.

Pero quizá lo más sugerente aparezca cuando los propios autores dirigen la mirada hacia el futuro. Según plantean, configuraciones similares podrían utilizarse para investigar algunos de los interrogantes más profundos de la cosmología cuántica.

Entre ellos figuran la existencia de distintos relojes internos capaces de ofrecer descripciones incompatibles de una misma realidad física, los posibles rebotes cuánticos que sustituirían a las singularidades del Big Bang, la reversibilidad temporal mediante ecos de Loschmidt e incluso la creación de agujeros negros análogos en sistemas de átomos ultrafríos.

También podrían servir para estudiar escenarios inspirados en la propuesta de Alexander Vilenkin sobre el origen cuántico del cosmos, así como modelos mucho más complejos con miles de grados de libertad adicionales.

Configuraciones similares podrían utilizarse para investigar algunos de los interrogantes más profundos de la cosmología cuántica.

La pregunta, quizá, ya no sea si podemos imaginar un universo sin tiempo. Lo verdaderamente intrigante es que la física comienza a desarrollar herramientas para comprobar experimentalmente si el tiempo fue alguna vez una pieza constitutiva de la realidad o si, como ocurre con la temperatura, emerge cuando la materia organiza sus transformaciones de una determinada manera.