Qué es el Tiempo?
Todos saben qué hora es. Prácticamente podemos sentirlo marchar, marchando en la misma dirección con horrible regularidad. El tiempo ha esclavizado
al mundo occidental y se ha convertido en nuestro bien más preciado. Sin embargo, entrégalo a los físicos, y comienza a transformarse, retorcerse
e incluso desmoronarse. Entonces, ¿qué es exactamente el tiempo?
Para muchas personas a lo largo de la historia, el tiempo habría sido sinónimo de los ritmos de la naturaleza; el paso de las estaciones y los ciclos
de los cuerpos celestes. Si esta idea parece ingenua hoy, no es solo porque los relojes modernos son infinitamente más precisos que los cuerpos celestes.
También es porque hemos llegado a pensar en el tiempo como algo universal, algo que seguiría marchando incluso si todos los relojes, celestes o artificiales,
se detuvieran. Newton expresó de manera más sucinta la noción de un tiempo absoluto, que es mensurable y la misma para todos los observadores:
"el tiempo absoluto, verdadero y matemático, por sí mismo y por su propia naturaleza, fluye equitativamente sin relación con nada externo".
El tiempo de Einstein.
El tiempo absoluto de Newton puede parecer una descripción precisa de la bestia que rige nuestra vida cotidiana, pero en ciencia la noción fue
destruida en 1905 por la teoría especial de la relatividad de Einstein. "Einstein demostró que no hay un tiempo universal", explica Davies.
"Su tiempo y el mío se desfasan si nos movemos de manera diferente". En otras palabras, la duración del tiempo entre dos eventos puede variar
dependiendo de qué tan rápido se mueva en el período entre los eventos.
Imagine dos observadores, uno en un tren y otro estacionario. El viajero envía un pulso de luz desde una antorcha verticalmente hacia arriba.
La vista del viajero se muestra a la izquierda: el pulso viaja verticalmente hacia arriba. La vista del observador estacionario se muestra a la derecha:
la posición de la antorcha y el techo del tren al comienzo y al final del recorrido del pulso se muestran en negro y azul, respectivamente.
El pulso viaja en diagonal.
En la raíz de este extraño efecto de deformación del tiempo se encuentra el postulado de Einstein de que la velocidad de la luz debería ser
la misma para todos los observadores, sin importar qué tan rápido se muevan. Imagine dos observadores, uno viajando en un tren y el otro estacionario
al costado de las vías. Cuando los dos se cruzan, el viajero emite un pulso de luz desde una antorcha que brilla verticalmente hacia arriba.
Los dos observadores no estarán de acuerdo sobre la distancia que ha recorrido el pulso cuando toca el techo del tren, porque el observador estacionario
percibe no solo el movimiento vertical del pulso, sino también el movimiento horizontal del tren.
Dado que ambos observadores miden la misma velocidad de la luz, y dado que la velocidad es la distancia por tiempo, esto implica que también
deben estar en desacuerdo sobre el tiempo que le tomó al pulso recorrer esa distancia. El tiempo es relativo al observador, o como el físico
Kip Thorne prefiere decirlo, el tiempo es "personal".
No notamos esta dilatación del tiempo en la vida diaria, pero no es tan pequeña como para no ser medible. "Si vuelo de Phoenix a Londres y
de regreso, y luego comparo mi reloj con el que queda en la oficina, estarán unos pocos billonésimas de segundo", dice Davies. Esa es una
pequeña cantidad para los humanos, pero está dentro de la capacidad de medición de los relojes modernos.
De hecho, la dilatación del tiempo tiene un impacto real en el sistema de posicionamiento global (GPS), en el que muchos de nosotros confiamos
para navegar por el mundo. "El sistema funciona con satélites en órbita que se mueven muy rápido", explica Davies. "Si no tuvo en cuenta
este efecto distorsionador del movimiento, entonces su GPS comenzaría a acumular errores muy rápidamente, de modo que en una o dos horas estaría
perdido. Así que este es un efecto real, no solo una especie de pesadilla del matemático loco ".
Pero el movimiento no es lo único que puede distorsionar el tiempo. En su teoría general de la relatividad, publicada en 1916, Einstein demostró
que la gravedad también puede retrasar el tiempo. En lugar de pensar en la gravedad como una fuerza invisible que flota a través del éter,
Einstein pensó en ella como el efecto de cuerpos masivos que distorsionan la estructura misma del espacio. Una analogía famosa es la de una
bola de boliche sentada en un trampolín, que crea un baño en el que rodará una canica cercana. Según la relatividad general, los objetos masivos
como las estrellas y los planetas deforman el espacio de manera similar y, por lo tanto, "atraen" a otros cuerpos que pasan cerca. Sin embargo,
Einstein se dio cuenta de que el tiempo y el espacio están inextricablemente unidos en lo que llamó espacio-tiempo, por lo que el efecto de
deformación de la gravedad no solo afecta el espacio, sino también el tiempo.
"La gravedad ralentiza el tiempo, por lo que corre un poco más lento en el sótano de su casa que en el techo", dice Davies. "Es un efecto pequeño,
pero se puede medir, incluso en distancias que son tan pequeñas. Pero si quieres una deformación de la gravedad muy grande, tienes que ir a un
campo gravitacional muy grande. Si tuvieras un reloj encendido la superficie de una estrella de neutrones, por ejemplo, marcaría aproximadamente
el 70% de la velocidad de un reloj en la Tierra. La deformación del tiempo final está en la superficie de un agujero negro, donde en cierto sentido
el tiempo se detiene en relación con nuestro tiempo "Si fueras allí, no notarías nada peculiar sobre el tiempo, pero si compararas los relojes entre
las dos ubicaciones, estarían enormemente fuera de lugar".
Einstein sacó una conclusión interesante de sus resultados sobre la naturaleza del tiempo. En una carta a la familia de un amigo fallecido
recientemente, Michele Besso, Einstein escribió: "... para nosotros, los físicos creemos que la separación entre pasado, presente y futuro
es solo una ilusión, aunque convincente". Dado que el tiempo es relativo al observador, es imposible dividirlo en pasado, presente y futuro
de una manera universalmente significativa. En cierto sentido, pasado, presente y futuro están todos a la vez.
"Esta noción a veces se llama tiempo de bloque, pero me gusta llamarlo el paisaje temporal porque es un poco como un paisaje", dice Davies.
"Si miras un mapa, todo el paisaje está ahí delante de ti, todo a la vez. Si agregas el tiempo como la cuarta dimensión en este mapa, entonces
todo el tiempo está ahí al mismo tiempo. El hecho de que nada en física señala que un 'ahora' en particular es un misterio ".
Por cierto, no hay nada en la teoría de Einstein que prohíba los viajes en el tiempo, ya sea hacia el futuro o hacia el pasado. Pero esta es
una lata de gusanos que no abriremos aquí, como puede leer sobre esto en el artículo de Kip Thorne's Plus. ¿Está permitido viajar en el tiempo?
(o lea el libro de Davies Cómo construir una máquina del tiempo).
La flecha del tiempo.
Pensar en el pasado y el futuro nos lleva a otro problema que ha engañado a los científicos y filósofos: por qué el tiempo debería tener
una dirección en absoluto. En todos los días la vida es bastante evidente. Si miras una película que se está reproduciendo al revés, lo sabes
de inmediato porque la mayoría de las cosas tienen una dirección de tiempo distinta unida a ellas: una flecha del tiempo. Por ejemplo, los
huevos pueden convertirse fácilmente en tortillas, pero no al revés, y la leche y el café se mezclan en su taza, pero nunca se separan nuevamente.
El ejemplo más dramático es la historia de todo el Universo, que, como creen los científicos, comenzó con el Big Bang hace unos trece mil millones
de años y se ha expandido continuamente desde entonces. Cuando miramos esa historia, que incluye la nuestra, queda bastante claro hacia dónde
apunta la flecha del tiempo.
"Pero el misterio es que las leyes de la física no muestran preferencia por el tiempo hacia adelante o hacia atrás", dice Davies. Por ejemplo,
si puede hacer que un objeto se mueva en una dirección aplicando una fuerza, entonces, como le dice la segunda ley de movimiento de Newton,
puede hacer que vuelva sobre su camino aplicando la misma fuerza en la dirección opuesta. Entonces, cuando miras una película de este proceso,
no podrás saber si se está reproduciendo hacia adelante o hacia atrás, ya que ambos son igualmente posibles.
"Entonces, el problema es cómo explicar la asimetría del tiempo en la vida diaria cuando las leyes que gobiernan todos los átomos que componen
todo lo que nos rodea son simétricas en el tiempo", dice Davies. Se ha hecho mucho sobre este problema, que afecta la física de Einstein tal
como lo hizo la descripción clásica del mundo de Newton.
Orden o desorden?
Pero la respuesta no es tan difícil de encontrar. La mayoría de los procesos que consideramos irreversibles en el tiempo son aquellos que
(por cualquier razón) comienzan en un estado muy especial y muy ordenado: Davies utiliza un paquete de cartas como ejemplo. Cuando abra por
primera vez un nuevo paquete, las tarjetas se ordenarán según el palo y el valor numérico. Cuando los barajas durante un tiempo, se desordenarán,
por lo que parece que, a medida que pasa el tiempo, las cosas siempre pasarán del orden al desorden. "Podríamos pensar que esto es muy extraño
porque no hay nada en el acto de barajar que elija una dirección en el tiempo, sin embargo, vemos una flecha distinta", dice Davies.
Sin embargo, no hay nada en las leyes de la física que impida que el acto de barajar produzca un juego de cartas perfectamente ordenado.
Es solo que el estado ordenado es solo uno de un total de alrededor de 8 × 1067 estados posibles, por lo que la posibilidad de que nos
encontremos mientras barajamos las cartas es muy pequeña. Tan pequeño que nunca sucedería incluso dentro de varias vidas de barajar.
Entonces, la aparente asimetría del tiempo es realmente solo una asimetría del azar. Los sistemas de muchos componentes, como una taza llena
de partículas de leche y café o un recipiente lleno de partículas de huevo, evolucionan del orden al desorden no porque lo contrario sea imposible,
sino porque es muy poco probable. En pocas palabras, esta es la segunda ley de la termodinámica, que establece que la entropía
(una medida del trastorno) en un sistema físico cerrado nunca disminuye. Es un principio estadístico, más que una ley fundamental que describe
el comportamiento de átomos individuales. La flecha aparente del tiempo emerge como una propiedad del sistema macroscópico, pero no está
allí en las leyes que rigen las interacciones individuales de partículas. Como dijo el físico John Wheeler: "Si le preguntas a un átomo sobre
la flecha del tiempo, se reirá en tu cara".
Esto también se aplica a todo el universo. "El Universo comenzó muy suave y se expandió de manera uniforme", dice Davies. Desde un punto de
vista gravitacional, el Big Bang era un estado de baja entropía y el Universo ha estado aumentando su entropía desde entonces, de ahí la flecha
del tiempo. La pregunta ahora es por qué el Universo comenzó de la manera en que lo hizo. "Por qué nuestro universo explotó en un estado tan
ordenado sigue siendo un misterio", dice Davies. "No hay una respuesta acordada a eso, en parte porque no hay un modelo acordado de cosmología.
Todos pensamos que el Universo comenzó con un Big Bang y sabemos que se está expandiendo. Lo que no sabemos es si el Big Bang es el origen
último de tiempo o si hubo un tiempo antes de eso ".
El tiempo desaparece
Una cosa que no hemos dicho hasta ahora es que la teoría de Einstein, que describe el mundo macroscópico tan admirablemente bien,
no funciona para el mundo microscópico. Para describir el mundo a escalas atómica y subatómica, debemos recurrir a la mecánica cuántica,
una teoría que es fundamentalmente diferente de la de Einstein. Conciliar los dos, crear una teoría de la gravedad cuántica, es el santo
grial de la física moderna.
Cuando Schrödinger y Heisenberg formularon la mecánica cuántica en la década de 1920, ignoraron el trabajo de Einstein y trataron el
tiempo en el espíritu de Newton, como un absoluto que está desapareciendo en el fondo. Esto ya nos da una pista de por qué las dos teorías
podrían ser tan difíciles de conciliar. El estado del tiempo en la mecánica cuántica también ha creado problemas profundos dentro de
la teoría misma y ha llevado a "décadas de confusión y sutileza", como dice Davies.
No entraremos en este embrollo aquí, pero notaremos el enigma que se desarrolla cuando intentas aplicar la mecánica cuántica al Universo
en su conjunto (un enfoque bastante controvertido con el que no todos los físicos están de acuerdo). "Si intentas escribir una descripción
mecánica cuántica de todo el Universo, descubres que el parámetro de tiempo en realidad desaparece [de las ecuaciones], no está ahí en absoluto",
dice Davies. El tiempo se reemplaza por correlaciones. "Por ejemplo, podría tener una correlación entre el tamaño del Universo y el valor
de algún campo [físico]. Describiríamos esto diciendo 'a medida que el Universo evoluciona con el tiempo y se hace más grande, entonces
este campo cambia de valor'. Usamos ese lenguaje, pero en realidad todo lo que estás hablando es una correlación [entre cantidades físicas]
y el tiempo puede eliminarse por completo ".
Algunas personas han interpretado esto para decir que el tiempo no existe en absoluto, pero Davies no está de acuerdo. "Creo que el tiempo
existe igual que los teléfonos. Es algo real y podemos medirlo. Pero sugiere que la forma en que entra en nuestra descripción del mundo es
diferente de otras cantidades a las que estamos acostumbrados".
Una posibilidad es que el tiempo, y también el espacio, sean propiedades emergentes del Universo, que no son parte del nivel inferior de la
realidad. "Puede ser que para las condiciones extremas en el Big Bang una descripción en términos de otras variables sea más apropiada.
Cuando vemos el mundo con un espacio y tiempo bien definidos [o espacio-tiempo como lo expresó Einstein] esto puede ser solo algo estado
particular del universo que ha surgido del Big Bang ". Davies utiliza un bloque de goma como ejemplo: tiene sus propias propiedades físicas,
su elasticidad, por ejemplo, pero estas propiedades no están allí a nivel atómico. Son el resultado de que los átomos y las leyes que los
gobiernan se combinan de una manera particular. De manera similar, el Universo, al enfriarse a partir del Big Bang, puede haber dado lugar
al espacio-tiempo. Quizás, si se hubiera enfriado de otra manera, el espacio-tiempo no habría surgido.
Pero si el espacio y el tiempo no son fundamentales, ¿cuáles son las propiedades fundamentales del Universo? No hay ninguna
teoría en la que la gente esté de acuerdo. "Podemos inventar palabras para describirlas y las personas las tienen, pero estas
cosas no son algo con lo que nos vamos a encontrar en la vida diaria. Así que solo estamos recurriendo a [descripciones matemáticas].
Pero incluso si un día logramos explicar el tiempo y espacio en términos de otra cosa, que solo lleva la pregunta a otro nivel,
porque entonces tienes que explicar [la otra cosa] ".
Así que parece que no estamos más cerca de entender qué hora es que Newton, quizás lo entendemos aún menos. Pero entonces,
quizás el trabajo del científico no es explicar completamente el Universo, sino simplemente describirlo. "Postulas una teoría,
generalmente en forma de ecuaciones matemáticas, y luego la pruebas contra la realidad", dice Davies. "Si funciona, no discutes
de dónde provienen esas ecuaciones. Es solo tu mejor intento de describir el mundo".
Ya sea fundamental, emergente o simplemente un conjunto de correlaciones disfrazadas, el hecho es que algo que llamamos tiempo
se manifiesta sin lugar a dudas y todos lo sabemos. Como dijo un amigo mío: "Si quieres saber qué hora es, solo mírame a la cara".
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