Cómo “emerge” el tiempo a partir del enredamiento cuántico
El tiempo es un fenómeno emergente, un efecto colateral del enredamiento cuántico, según demuestran físicos en unos primeros resultados experimentales.
(Este artículo es una traducción de una publicación de The Physics arXiv Blog. Leé más publicaciones como esta acá.)
Cuando las nuevas ideas de la mecánica cuántica inundaron la ciencia en la primera mitad del Siglo XX, una de las primeras cosas que hicieron los físicos fue aplicarlas a la gravedad y la relatividad general. El resultado no fue el mejor.
Inmediatamente quedó claro que esas dos bases de la física moderna eran enteramente incompatibles. Cuando los físicos intentaron fundir ambos avances, las ecuaciones resultantes fueron plagadas de infinitos haciendo imposible darles algún sentido.
Luego, a mediados de 1960, hubo un descubrimiento: los físicos John Wheeler y Bryce DeWitt combinaron satisfactoriamente las previamente incompatibles ideas en una ecuación clave, que desde entonces fue conocida como la ecuación de Wheeler-DeWitt, la cual es importante porque evita los problemáticos infinitos — un gran avance.
Pero no le llevó mucho tiempo a los físicos darse cuenta que mientras la ecuación de Wheeler-DeWitt resolvía un problema importante, generaba otro. El nuevo problema consistía en que el tiempo no jugaba ningún rol en esta ecuación. En efecto, dice que nunca pasa nada en el universo, una predicción que claramente se contradice con la evidencia observacional.
Este enigma, el cual los físicos denominan “el problema del tiempo”, se había establecido como una molestia constante entre los físicos modernos, que han intentado ignorarlo, con poco éxito.
Luego en 1983, a los teóricos Don Page y William Wootters se les ocurrió una nueva solución basada en el fenómeno cuántico del enredamiento. Esta es una propiedad exótica en la cual dos partículas cuánticas comparten la misma existencia, incluso cuando fueron separados físicamente.
El enredamiento es un enlace profundo y poderoso, y Page y Wootters mostraron cómo puede ser utilizado para medir el tiempo. Su idea se basa en que la forma en que un par de partículas enredadas evolucionan es una especie de reloj que puede ser considerado para medir el cambio.
Pero los resultados dependen de cómo se realiza la observación. Una forma de hacer esto es comparar el cambio en las partículas enredadas con un reloj externo completamente independiente del universo. Esto equivale a un observador externo, fuera del universo, midiendo la evolución de las partículas usando un reloj también externo.
En este caso, Page y Wootters mostraron que las partículas en apariencia no cambiarían — que el tiempo no existiría en este escenario.
Pero existe otra forma de realizarlo que lleva a un resultado diferente. En el caso de un observador interno dentro del universo que compara la evolución de las partículas con el resto del universo, este vería un cambio y esta diferencia en la evolución de las partículas enredadas comparada con todo lo demás se convierte en una forma de medir el paso del tiempo.
Esta es una elegante y poderosa idea. Sugiere que el tiempo es un fenómeno emergente, que surge de la naturaleza del enredamiento de partículas, y solo existe para observadores dentro del universo. Cualquier observador externo ve un universo estático, que no cambia, como predicen las ecuaciones de Wheeler-DeWitt.
Por supuesto, sin verificación experimental, las ideas de Page y Wootter’s son poco más que una curiosidad filosófica. Dado que no es posible disponer de un observador fuera del universo, parecía haber pocas oportunidades de poder probar estas ideas.
Hasta ahora. Esta última semana, Ekaterina Moreva del Instituto Nazionale di Ricerca Metrologica (INRIM) en Turín, Italia, y algunos de sus compañeros, realizaron la primera prueba experimental de las ideas de Page y Wootters. Y confirman que el tiempo es de hecho un fenómeno emergente para los observadores “internos” pero ausente para los externos.
El experimento incluye la creación de un universo de juguete que consiste en un par de fotones enredados y un observador que puede medir su estado de una o dos maneras. En la primera, el observador mide la evolución del sistema enredándose en él. En el segundo, un observador externo mide la evolución contra un reloj también externo que es enteramente independiente de dicho universo de juguete.
Los detalles experimentales son concisos. Cada uno de los fotones enredados poseen una polarización que puede ser modificada atravesando una placa birrefringente (de doble refracción). En la primera configuración, el observador mide la polarización de un fotón, con la consecuencia de enredarse con él. El resultado se compara luego con la polarización del segundo fotón. La diferencia entre ambos es la medida del tiempo.
En la segunda configuración, los fotones de nuevo pasan a través de placas birrefringentes que cambian sus polarizaciones. Sin embargo, en este caso, el observador solo mide las propiedades globales de ambos fotones comparándolos contra un reloj independiente.
En este último caso, el observador no puede detectar diferencias entre los fotones sin enredarse con uno o con otro, y si no hay diferencia, el sistema parece estático. En otras palabras, no surge el tiempo.
“Aunque extremadamente simple, nuestro modelo captura las dos, en apariencia contradictorias, propiedades del mecanismo de Page-Wootters.” dicen Moreva y compañía.
Ese es un experimento impresionante. La emergencia es una idea popular en la ciencia. En particular, los físicos recientemente se entusiasmaron con la idea de que la gravedad es un fenómeno emergente. Así que es relativamente un pequeño paso a pensar que el tiempo puede emerger de una forma similar.
Lo que le faltó a la gravedad emergente, claramente, es una demostración experimental que demuestre cómo funciona en la práctica. Por eso es que el trabajo de Moreva y otros tiene importancia. Presenta por primera vez una idea abstracta y exótica sobre bases experimentales.
Quizás lo más importante de todo es la implicancia de que la mecánica cuántica y la gravedad general no son tan incompatibles después de todo, cuando vistas desde los lentes del enredamiento el famoso “problema del tiempo” desaparece.
El próximo paso será extender la idea, particularmente a escala macroscópica. Una cosa es mostrar cómo el tiempo surge para los fotones, y otra muy distinta mostrar cómo surge para objetos más grandes.
Y allí yace otro desafío.
