Un condensado de Bose-Einstein permitió ordenar la evolución de un sistema aislado mediante una variable construida a partir de su entropía interna. El resultado no resuelve el problema del tiempo en la gravedad cuántica, pero crea una plataforma experimental para someter esas propuestas a datos reales.
Un experimento con átomos ultrafríos mostró que la evolución de un sistema cuántico puede describirse sin recurrir exclusivamente al reloj externo del laboratorio. En su lugar, el investigador construyó una variable temporal a partir de los cambios internos de entropía y comprobó que ésta podía ordenar los acontecimientos observados.
El trabajo fue realizado por Giovanni Barontini, de la Universidad de Birmingham, y publicado el 11 de junio en la revista Physical Review Research. Su propósito no fue recrear el universo ni explicar definitivamente el origen del tiempo, sino construir un sistema controlado donde pudieran probarse cuantitativamente algunas ideas desarrolladas en la gravedad cuántica.
El artículo aborda el llamado “problema del tiempo”, una dificultad que surge al intentar combinar la relatividad general con la mecánica cuántica. En la física cotidiana, el tiempo suele funcionar como un parámetro externo que permite ordenar los cambios; sin embargo, algunas formulaciones de la cosmología cuántica describen el universo completo mediante ecuaciones en las que ese reloj exterior deja de aparecer.
La ecuación de Wheeler-DeWitt, uno de los marcos que motivaron el experimento, describe un estado global sin introducir explícitamente una variable temporal externa. Esto genera una aparente contradicción: si la ecuación fundamental parece estática, debe explicarse cómo surgen la experiencia del cambio, la sucesión de los acontecimientos y una dirección temporal.
Un reloj construido desde el interior
Una de las posibles respuestas consiste en tratar el tiempo como una relación entre las partes de un sistema. En lugar de imaginar un reloj externo al universo, una de sus variables puede utilizarse para ordenar el comportamiento de las demás. Desde esta perspectiva, el tiempo no sería necesariamente un fondo independiente por el que avanzan los objetos. Podría aparecer como una medida de cómo cambia una parte del sistema con respecto a otra.
Para probar esta posibilidad, Barontini utilizó un condensado de Bose-Einstein formado por átomos de rubidio ultrafríos. El gas fue confinado en una trampa óptica conservativa y dividido mediante una barrera delgada en dos regiones: un sector observado, denominado “brillante”, y otro no observado, denominado “oscuro”.
La barrera permitía controlar el intercambio de átomos entre ambos sectores. Dependiendo de su altura, los átomos podían pasar de una región a otra con mayor o menor facilidad, lo que modificaba el flujo de entropía interna sin introducir una pérdida apreciable de partículas o energía durante la escala temporal del experimento.
El sistema completo permanecía prácticamente aislado y era gobernado por un Hamiltoniano independiente del tiempo. Desde el exterior, su evolución podía seguirse con el reloj habitual del laboratorio, pero el objetivo consistía en comprobar si el sector observado podía ordenar sus cambios utilizando únicamente variables pertenecientes al propio sistema.
Expansiones y contracciones de un “miniuniverso”
Cuando los átomos comenzaban a entrar en el sector observado, éste aumentaba de tamaño y población. El artículo denomina analógicamente “big bang” al inicio de esa expansión y “big crunch” al momento en que los átomos regresaban hacia el sector no observado.
Estas expresiones no significan que el laboratorio reprodujera literalmente el nacimiento o el colapso del universo. Se utilizan para señalar que el sector observado experimentaba ciclos de expansión y contracción cuya estructura podía compararse, de manera limitada, con algunos modelos cosmológicos reducidos.
El autor considera al sistema un “miniuniverso” únicamente en el sentido de que se trata de un sistema de muchos cuerpos suficientemente aislado. La región brillante puede describirse mediante un modelo reducido estructuralmente semejante a los modelos de minisuperspace, que simplifican el universo imponiendo condiciones como homogeneidad o isotropía y reduciendo sus posibles variables.
Durante el experimento se tomaron imágenes de absorción para medir la población de átomos y la anchura de la nube. Las pruebas fueron repetidas con distintas alturas de la barrera, lo que permitió observar cómo la velocidad del intercambio entre sectores modificaba la evolución interna.
La entropía como variable temporal
El investigador construyó un “tiempo entrópico” a partir de una entropía experimental de grano grueso. En las condiciones del estudio, esa entropía estaba estrechamente relacionada con el número de átomos presentes en el sector observado, por lo que el flujo entrópico podía inferirse a partir de la dinámica de la población atómica. La variable obtenida creció de manera monotónica en casi toda la evolución analizada. Esto permitió ordenar los estados del sector brillante y reconstruir la secuencia de expansiones y contracciones sin utilizar directamente el tiempo del laboratorio.
El ordenamiento no fue perfecto. El artículo reporta pequeñas oscilaciones en los puntos donde la entropía y la variable utilizada como reloj cambiaban de signo, un efecto atribuido al muestreo relativamente grueso de los datos. Aun con esas irregularidades, el tiempo interno reprodujo de manera amplia el orden de los eventos observado desde el laboratorio. La velocidad con la que transcurría, sin embargo, dependía del intercambio de entropía entre los dos sectores.
Cuando el flujo de entropía disminuía, el tiempo interno avanzaba con mayor lentitud. En las condiciones donde el sector observado se aproximaba a un estado estacionario o de “muerte térmica”, el tiempo entrópico dejaba prácticamente de fluir, aunque el reloj externo del laboratorio continuara avanzando.
Una ecuación de Schrödinger con tiempo interno
El siguiente paso fue establecer si la variable entrópica servía únicamente para ordenar datos o si podía desempeñar un papel dentro de la descripción matemática del sistema. Barontini derivó una ecuación efectiva de Schrödinger parametrizada mediante ese tiempo interno. Después realizó simulaciones numéricas y comparó la evolución prevista con las mediciones de la anchura de la nube atómica.
El modelo reprodujo los datos experimentales con buen acuerdo en el régimen analizado. El resultado respalda la idea de que el tiempo entrópico puede funcionar como una variable operacional dentro de ese sistema específico, no sólo como una manera posterior de reorganizar las observaciones.
Esto no equivale a demostrar que la ecuación de Wheeler-DeWitt describe correctamente el universo ni que la gravedad cuántica deba resolverse mediante entropía. El experimento utiliza una analogía estructural y una serie de aproximaciones para conectar la dinámica atómica con modelos cosmológicos simplificados.
Qué demuestra realmente el experimento
El resultado más sólido es que un sistema cuántico controlado puede describir parte de su propia evolución mediante una variable construida desde su interior. Esa variable ordenó los eventos, produjo una dirección temporal robusta y permitió escribir una ecuación efectiva capaz de reproducir las observaciones.
El trabajo también muestra que algunas propuestas sobre tiempo relacional ya no tienen que permanecer exclusivamente dentro de la filosofía o las matemáticas. Los sistemas de átomos fríos pueden funcionar como bancos de prueba donde sus consecuencias se comparen directamente con datos.
La publicación en una revista revisada por pares y la liberación de los archivos numéricos utilizados en las figuras fortalecen la transparencia del resultado. El conjunto de datos fue depositado en Zenodo e incluye mediciones correspondientes a distintas configuraciones de la barrera y los resultados numéricos empleados por el autor.
Sin embargo, el experimento no demuestra que el tiempo del universo sea producido por la entropía. Tampoco reproduce la gravedad, el espacio-tiempo completo ni la totalidad de las condiciones de la cosmología cuántica.
La variable temporal fue definida por el investigador a partir de una entropía concreta y de una división elegida entre un sector observado y otro no observado. Existen otras formas posibles de seleccionar relojes internos, y una de las preguntas abiertas consiste precisamente en saber si distintas elecciones producen descripciones compatibles.
Un laboratorio para una pregunta antigua
La importancia del estudio está en haber trasladado una pregunta conceptual hacia un sistema experimental. En vez de afirmar de manera abstracta que el tiempo puede surgir de relaciones internas, el trabajo propone una definición, la aplica a datos y examina dónde funciona o presenta dificultades.
Los átomos ultrafríos ya se utilizan para simular fenómenos difíciles de estudiar directamente, como horizontes análogos de agujeros negros, expansión cosmológica, ruptura de cuerdas y decaimiento de falsos vacíos. Estos experimentos no reproducen literalmente los fenómenos originales, pero permiten explorar estructuras matemáticas semejantes en condiciones controladas.
En trabajos posteriores, esta plataforma podría utilizarse para comparar distintos relojes internos, estudiar escenarios de rebote, medir la reversibilidad de la dinámica o construir analogías más complejas. El propio autor señala que una cuestión relevante será determinar si diferentes elecciones del reloj modifican la estructura física obtenida.
El estudio no encontró la respuesta definitiva sobre qué es el tiempo. Su contribución es más concreta: mostró que una idea central de la cosmología cuántica puede convertirse en un procedimiento medible, reproducible y susceptible de fallar frente a los datos.
En un campo donde muchas propuestas permanecen fuera del alcance experimental, disponer de un sistema capaz de ponerlas a prueba representa un avance por sí mismo.
