El misterio del tiempo

  • En la Diana del Tiempo

    El tiempo… parece algo tan sutil… nos acompaña desde el nacimiento del universo, separando nuestros instantes, ordenando los acontecimientos de nuestra propia historia… Hasta hace poco, se creía que era algo absoluto, es decir, que era igual para todos los que lo observaran y todos ellos estarían de acuerdo a la hora de clasificar un mismo suceso como presente o pasado. Pero gracias a Einstein y a su teoría de la Relatividad, descubrimos que el tiempo dependía de los observadores y de su estado de movimiento, pudiendo suceder, por ejemplo, que para uno de ellos el futuro sucediera antes que para el otro. El tiempo empezaba a ser un compañero mas desconocido de lo que parecía.

    Pero lo curioso, además, es que en todas las ecuaciones de la física (tanto clásica como relativista) permanecerían inalteradas si se invirtiera la dirección del tiempo, como si este “detalle” no tuviera importancia para ellas, es decir, son simétricas en este aspecto, entonces… 

    ¿Por qué para nosotros el tiempo es irreversible? ¿Por qué vivimos en un universo donde el pasado precede al futuro y no al revés?

    Si viéramos una película donde en una mesa de billar las bolas se reagruparan en un triángulo mientras una blanca abandonara el centro de la mesa para situarse en un extremo, no dudaríamos de que se esta película se estaría proyectando al revés, pues la escena sería increíble. Por parte de las leyes de la física no habría ningún problema en que las bolas por sí sola se reagrupasen, pero ¿podríamos decir lo mismo desde el punto de vista del azar?

    En 1927, el astrofísico británico Arthur S. Eddington, del que ya hablamos en la entrada «En el Ombligo del Universo«, utilizó por primera vez, en sus conferencias sobre “La naturaleza del mundo físico”, la expresión Flecha de Tiempo para referirse a la dirección en la que éste discurre sin interrupción desde el pasado hacia el futuro. Explicaba que, si dibujásemos una flecha arbitrariamente y al seguirla encontráramos que los elementos distribuidos al azar iban en aumento, entonces la flecha apuntaba al futuro, pero si por el contrario disminuyesen, entonces la flecha apuntaba al pasado. Es decir, el futuro apunta al…

    El físico Stephen Hawking resalta en su libro “Historia del Tiempo” tres «Flechas de Tiempo» que transcurren desde el pasado al futuro. El hecho de que las tres apunten hacia la misma dirección es condición indispensable para que podamos estar aquí haciéndonos preguntas, según el razonamiento del principio antrópico débil.

    Estas flechas son:

    La flecha termodinámica es la que hace posible que no vivamos la experiencia de ver cómo los vasos que caen al suelo, y se rompen, se recompongan ellos solitos y salten a la mesa desde donde cayeron. Está basada en la Segunda Ley de la termodinámica. Para explicarla hay que introducir primero el concepto de Entropía.

    ¿Qué es la entropía?

    Es una medida de desorden. El cristal roto y el agua en el suelo están un estado mayor de entropía que un vaso encima de una mesa, pues su nivel de orden es elevado. Con el tiempo aumenta el desorden, es decir, partimos desde un estado bajo de entropía hacia uno más elevado y siempre vamos en esa dirección, por eso no podemos presenciar la milagrosa recomposición de los cristales rotos pero, en cambio, si sufrimos como una habitación recién limpia (en un buen estado de orden) se va volviendo sucia y “entrópica” con el tiempo…¡grr!. Siempre habrá un mayor número de estados desordenados que ordenados.

    Pero… ¿Por qué sucede esto?

    Pues porque para mantener un estado ordenado hace falta gastar energía. Nosotros mismos tenemos un nivel bajo de entropía. Para mantenernos vivos tenemos que luchar contra el aumento inexorable de la entropía en nosotros mismos y lo hacemos tomando energía en estado ordenado (alimento y oxígeno) y desechándola en forma de calor, que es la forma de energía más desordenada que existe, con lo que colaboramos, a su vez, al aumento de entropía del universo.

    En 1974, el físico Roger Penrose aplicó la segunda ley de la termodinámica al universo y dedujo que éste comenzó con un nivel de entropía increíblemente pequeño en comparación con el que podría tener, el porqué fue así continúa siendo un misterio. Pensar que el universo surgió de una explosión (el Big Bang) y aún así no haber generado el caos, como cabría de esperar en cualquier explosión, sino un escenario realmente ordenado es algo alucinante. Toda la materia cósmica observable se distribuyó en aglomeraciones incandescentes (estrellas) y en materiales fríos (planetas y polvo cósmico). Este desequilibrio térmico posibilitó que el Sol irradiara energía baja en entropía hacia la Tierra, algo indispensable para nuestra supervivencia. Si el universo no hubiera surgido con ese nivel tan bajo de entropía…

    NO EXISTIRÍAMOS

    Sigue este enlace: Noticias sobre la entropía del universo

    La flecha psicológica es la dirección donde sentimos el paso del tiempo, la que hace posible que recordemos el pasado y no el futuro. Reside en nuestra mente y nos hace comprender la sucesión de los hechos que vivimos. La acumulación de recuerdos forma la flecha de tiempo mental. Hay quienes piensan que el tiempo no es real, que somos nosotros quienes lo inventamos para explicar los sucesos que vivimos, ya que nunca se ha realizado ningún experimento para detectar el “flujo del tiempo”.

    La flecha cosmológica del tiempo nos señala que nos encontramos en la dirección en que se expande el universo y no en su fase contractiva, pues entonces apuntaría en sentido contrario. Stephen Hawking explica que si el universo hubiera comenzado en un estado grumoso y desordenado ahora mismo estaríamos en un estado de desorden completo y no podría aumentar con el tiempo. Al no aumentar, podrían suceder dos cosas: disminuir, por lo que la flecha termodinámica señalaría en dirección opuesta a la cosmológica o permanecer constante, por lo que la flecha termodinámica no estaría bien definida. Pero ninguna de ambas circunstancias son las que vivimos, pues como ya hemos visto la entropía va en aumento constante. Así pues, el universo debió comenzar en un estado muy suave y ordenado.

    Pero, ¿Cómo sabemos que nos encontramos en la fase donde el desorden aumenta y el universo se expande y no en la fase contractiva? 

    Hawking responde siguiendo el principio antrópico débil y es que las condiciones de la fase contractiva no serían adecuadas para la existencia de vida inteligente que se hiciera esa pregunta. El universo, como vimos en la entrada anterior, se expande a una velocidad muy próxima a la que evitaría que se volviera a colapsar, por lo que tardará mucho antes de que se produzca este hecho. Cuando suceda, todas las estrellas ya se habrán quemado y el universo estaría en un nivel de desorden completo. No habrá flecha termodinámica del tiempo. Sin embargo, sin una flecha termodinámica clara la vida inteligente no podría vivir, pues como vimos, es necesario consumir alimento que es una forma ordenada de energía.

    En resumen, aunque en las leyes de la ciencia no influye la dirección del tiempo, en la realidad existen tres flechas que nos mantiene en la dirección “lógica” de pasado a futuro. Dos de ellas (termodinámica y psicológica) coincidirán siempre, la cosmológica apuntará en el mismo sentido de las otras dos mientras el universo esté en la fase expansiva, fase en la que nos encontramos ahora, porque de lo contrario… 

    NO EXISTIRÍAMOS

    Referencias:

    – Historia del Tiempo. Stephen Hawking
    – La Mente Nueva del Emperador. Roger Penrose
    – Física Para Todos. Rafal Andrés Alemañ

  • Una Cuestión de Tiempo I

     
    ¿Te imaginas un mundo donde no exista el tiempo? 
     
    Sería como una película parada en un fotograma eterno o un cómic aburrido de una sola viñeta. El tiempo crea el movimiento, marca los latidos de nuestro corazón, ordena los pensamientos, construye el presente y lo fulmina en pasado en cada momento.
    A veces, parece dilatarse angustiosamente, y otras, se nos escapa sin que podamos retenerlo, pero…

    ¿Qué es el tiempo?

    ¿Acaso es una percepción humana? ¿Habita sólo en nuestra mente o es un fenómeno concreto ajeno a nosotros mismos? La comunidad científica no se pone de acuerdo para dar una única respuesta y es que comprender la verdadera naturaleza del tiempo ha sido uno de los grandes debates filosóficos desde hace miles de años, no en vano, nos encontramos ante uno de los mayores misterios del universo.
    Pero, hay algo que no podemos confundir con el tiempo y es su medida. Un reloj marca su duración, el inexorable avance de sus manecillas nos indica el paso de segundos, minutos, horas… pero, eso no es el tiempo, es tan sólo nuestra forma de contar algo que no sabemos qué es.
    El tiempo fluye como un río, en un devenir continuo de pequeños instantes, pero…
    ¿Qué es un instante?
    ¿Podría ser infinitamente pequeño?
    ¿Existe un límite mínimo para separar los latidos del tiempo?
    Parece ser que sí, se denomina tiempo de Planck y es lo tarda la luz en recorrer el menor espacio que se puede medir en el universo, es decir, la longitud de Planck, un espacio tan pequeño, que por debajo de él, deja de existir la geometría clásica.
    Un fotón lo recorre en 10-43 segundos, para que tengamos una idea, en cada segundo hay decenas de trillones de cuatrillones de tiempos de Planck, un intervalo tan, tan diminuto, que hasta hoy en día no ha sido posible medirlo, pues el record del menor tiempo capturado por los científicos se encuentra en 12 attosegundos, es decir, tan sólo doce veces la trillonésima parte de un segundo (12 x 10−18)

    ¿Crees que una porción de tiempo tan ridículamente pequeña está vacía de contenido? ¿Qué su ínfima duración le incapacita para albergar sucesos trascendentes?
    Te equivocas, pues dentro del primer “tiempo de Planck” que existió, se encuentra escondido, nada más y nada menos, que el secreto del origen del universo. En ese primer instante, el espacio y el tiempo estaban comprimidos en una mota infinitamente pequeña de energía y una única fuerza lo gobernaba todo, en un estado absoluto de perfección. Y fue, en ese primer instante, que esta mota de energía estalló desplegando el universo, en lo que se conoce como el Big Bang.
    Pero, ¿qué sucede exactamente por debajo de esa barrera que es el tiempo de Planck? 
    Al parecer, nos encontramos ante un abismo inquietante, ante un fallo en el sistema en “Matrix”, porque a ese nivel, puede que el tiempo deje de existir, entonces ¿tropezaríamos con el fotograma “parado” de la película de la realidad? ¿Podría el tiempo avanzar en pequeños “saltitos” cinematográficos? NO SE SABE

    Pero, si nos hemos preguntado por la duración mínima del tiempo ¿Qué hay de su duración máxima? O en otras palabras… ¿existe la eternidad?

    Cuando nos planteamos esta idea, automáticamente la asociamos con la inmortalidad y sentimos el vértigo de aquello que nunca tendrá fin. Pero, desde el punto de vista científico la respuesta está relacionada con el origen y el destino del universo, pues el tiempo está íntimamente ligado a él.

    Existen varias teorías, por ejemplo, para el físico Stephen Hawking el espacio y el tiempo están imbricados entre sí y el inicio del tiempo es similar al borde del mundo. Cuando en la antigüedad se creía que la Tierra era plana se podía pensar que el mar se derramaba por los bordes, pero cuando se averiguó que el mundo tenía una superficie curva se dieron cuenta que era imposible que esto pudiera suceder. El inicio del universo podría ser similar al Polo Sur de la Tierra, los grados de latitud del planeta realizarían el papel del tiempo. A medida que nos desplazamos hasta el norte, los círculos de latitud que, representarían el tamaño del universo, se expandirían. Preguntarse qué ocurrió antes del origen del universo sería como preguntarse qué hay al sur del Polo Sur. Un universo así no necesita ser creado, pues no tendría un principio, simplemente sería.
    Para el químico Ilya Progogine, el tiempo no nació con nuestro universo sino que precede a la existencia y hará que surjan nuevos universos. El nacimiento de nuestro tiempo no es el nacimiento de «El Tiempo» porque en el vacío fluctuante preexistía en estado potencial. Este tiempo está “siempre ahí” en estado latente y sólo necesita de un fenómeno de fluctuación para actualizarse.
    Para los defensores de la teoría de los Multiversos, la realidad es un lugar donde los universos aparecen y desaparecen eternamente, pero esa eternidad sólo podría contemplarse desde fuera de estos universos, porque en el interior de cada uno de ellos el tiempo tendría un final, pues cada uno de ellos está destinado a desaparecer más tarde o más temprano.
    Otra teoría sobre el tiempo bastante curiosa es la denominada “Tiempo Holográfico” del físico Andy Strominger. Para él, nuestro universo es la imagen proyectada hacia atrás en el tiempo de un holograma que está situado en un futuro infinito. El holograma contiene todo lo que ha sido el universo y todo lo que siempre será. Si nos encontramos muy cerca de él, tendremos mucha información, pero si nos alejamos en el tiempo, distinguiremos cada vez menos detalles, habrá menos información presente, por eso, en el universo de hace miles de millones de años no existían más que nubes de gas. En un universo holográfico emergente, no hay un Big Bang, en su lugar existe una explosión continua que surgió de la Nada. En el tiempo holográfico cuanto más vayamos hacia el futuro, el incremento del tiempo nos moverá cada vez menos hacia adelante y necesitaríamos una cantidad infinita de tiempo para alcanzar el holograma.
    La eternidad puede referirse al tiempo infinito, pero también a aquello que carece de él, pero…
    ¿Cómo puede ser que no exista el Tiempo?
    (Sígueme a la segunda parte)
    Referencias: 
    – El nacimiento del tiempo. Llya Prigogine
    – El Gran Diseño. Stephen Hawking
    – Documental: “Secretos del Universo: ¿Puede la Eternidad terminar?”

  • Una Cuestión de Tiempo II

    La física cuántica puede explicar todas las fuerzas fundamentales de la naturaleza excepto la gravedad porque, cuando se aplica a ésta, es imposible solucionar las ecuaciones que se plantean, ya que se producen sumas infinitas de números que cada vez son más grandes. De momento, lo que se ha conseguido es utilizarla para explicar fenómenos con un límite mayor que la longitud de Planck y una energía menor que la energía de Planck, pero con estos límites hay fenómenos en el universo que no se pueden explicar porque se salen de ellos y las ecuaciones se vuelven irresolubles, como sucede en los agujeros negros o el Big Bang.
    En los años sesenta los físicos John Wheeler y Bryce DeWitt crearon la  “ecuación de Wheeler-DeWitt” con la que podían eludir los problemas de combinar la mecánica cuántica y la relatividad general, pero… ¿Qué sucedió? 
    Ecuación Wheeler-DeWitt
    Pues que dicha ecuación expresaba un universo estático, sin tiempo, es decir, sustituyeron un problema grave por otro peor, porque…

    ¿Cómo pueden decir que no existe el tiempo? 
     
    El físico británico Julian Barbour consideró muy seriamente el universo estático que emergía de esta ecuación y propuso un modelo de universo SIN TIEMPO.
    Para Barbour, cada una de las distintas maneras en que se pueden combinar todas las partículas del universo forma una especie de “fotografía” denominada “Ahora”. Cada uno de esos “Ahoras” existe simultánea e independientemente entre sí, no siendo ninguno de ellos el pasado ni el futuro del otro, como dice Barbour: “el gato que salta no es el mismo gato que cae”. Todos ellos se distribuyen por un paisaje denominado “Platonia” un país atemporal formado por matemáticas perfectas.

    Pero, si no existe el tiempo… ¿Cómo explica entonces un mundo en movimiento?
    Imaginemos que todas las fotografías del álbum familiar se nos cayeran al suelo de forma caótica, si quisiéramos ordenarlas buscaríamos un criterio que las relacionara entre sí, seguramente trataríamos de seguir la secuencia en que fueron tomadas, colocando primero aquellas en la que éramos niños y luego las que somos más jóvenes y así sucesivamente. De esta forma, reconstruimos la historia familiar, a partir de objetos estáticos como son las fotos, pero el tiempo no subyace de ellas, la memoria es lo único que nos permite la idea de movimiento.

    Fotos caóticas de «Dioses de la Realidad»
    De igual forma cada “Ahora” contiene también una especie de memoria que nos proporciona la sensación de tiempo y movimiento, son registros denominados “cápsulas del tiempo” que existen en el cerebro, los fósiles, en los registros geológicos, en los genes…

    Es decir,  aunque los «Ahoras» son independientes entre sí y ninguno de ellos forma el pasado de otro, si pueden estar vinculados por un orden. Barbour nos propone el ejemplo de los números enteros. Cada uno de ellos existe simultáneamente, pero algunos pueden formar parte del conjunto de los números primos, lo que no significa que el número 3 se produzca en el pasado el número 5. En la cosmología de Platonia, no puede surgir la cuestión de qué sucedió antes del Big Bang, éste es sólo un tipo de «Ahora» muy singular denominado punto Alfa y  no se trata de ninguna explosión violenta ocurrida en un pasado remoto.

    Observador desde fuera del universo

    No podemos saber si la idea de Barbour sobre los «Ahoras» es correcta o no, pues en la actualidad, no existe ninguna forma de ponerla a prueba, sin embargo, no todas las afirmaciones sobre la posibilidad de que el tiempo no exista se quedan en el mundo de las matemáticas. Esto fue lo que sucedió para la solución propuesta en 1983, por los físicos Don Page y William Wootters. Demostraron matemáticamente que el entrelazamiento cuántico (ver entrada “El Fantasma de Einstein”) podía usarse para medir el tiempo, llegando a la conclusión de que éste surgía de dicho entrelazamiento y que sólo se producía para los observadores desde dentro del universo, si el observador estuviera fuera, el universo sería estático como expresa la ecuación Wheeler-DeWitt.

    Y así quedó la cosa, porque…

    ¿Cómo demonios se va a demostrar de forma experimental esta idea teniendo en cuenta que se necesita a un observador fuera del universo?


    ¡Pues, se consiguió!

    Bueno realmente lo que se hizo fue  “fabricar” un universo con sólo dos fotones (por algo le llamaron universo de juguete). La hazaña tuvo lugar en octubre de 2013, por el Instituto Nacional de Investigación Metrológica de Turín. Se enviaron los fotones por dos caminos separados, éstos empezaron orientados (ya sea en horizontal o vertical) y la polarización iba girando conforme pasaban a través de una placa de cuarzo y una serie de detectores. Entonces, uno de los fotones fue tratado como un reloj y su lectura afectó al valor de la polarización del segundo fotón. Esto significaba que un observador que lo midiese influía en el universo de los fotones (universo de juguete) formando parte del mismo. Repitiendo el experimento con placas cada vez más gruesas (cuanto más gruesa era la placa mayor tiempo tardaban en pasar a través y más evolucionaba su polarización hasta tener un valor particular) la polarización del segundo fotón variaba con el tiempo.

    Repitiendo el experimento en modo “superobservador” (desde fuera del universo), midieron el estado cuántico del sistema en su conjunto y resultó que era siempre el mismo, dando como consecuencia un universo estático. Aunque el experimento no demostró exactamente que el tiempo “no exista”, sí de alguna manera nos dio un indicio de que podría ser tan sólo una propiedad emergente del entrelazamiento cuántico y no una propiedad intrínseca del universo. Además es una esperanza para que de algún modo terminen por encajar las ecuaciones cuánticas con la relatividad general. Solo bastaría que consiguieran repetirlo más allá de un universo de juguete.

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