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En el tiempo en que Isaac Newton publicó sus reconocidos Principia en el año 1687, sus tres elegantes leyes del movimiento resolvieron muchos problemas. Sin ellos, no podríamos poner a un hombre en la luna en 282 años.
El tiempo anda hacia adelante y hacia atrás
Aunque dichas leyes generaron un nuevo problema en la física que no se entendió por completo hasta siglos después de Newton, y que continúa desconcertando a los cosmólogos en la actualidad del siglo 21. El problema es que las leyes de Newton funcionan el doble de bien de lo que cabría esperar.
Describen el mundo que experimentamos todos los días: el mundo de las personas, las manos que se mueven alrededor del reloj e incluso la ubicación apócrifa de algunas manzanas. Pero además explican perfectamente un mundo en el que la gente camina hacia atrás, los relojes marcan desde el anochecer hasta el amanecer y la fruta crece desde el suelo hasta las ramas.
“La característica interesante de las leyes de Newton, que no distinguían entre el pasado y el futuro, no se tomó en serio hasta mucho más tarde“; dijo el físico teórico y filósofo Sean Carroll. Quien analiza la naturaleza del tiempo en su último libro titulado La idea más grande del universo.
El problema no se limita a la teoría centenaria de Newton. Desde entonces, la mayoría de todas las teorías fundamentales de la física han funcionado tanto hacia adelante como hacia atrás, dijo Carlo Rovelli, el físico del Centro de Física Teórica en Marsella, Francia.
¿Por qué pasa el tiempo?
Desde Newton, la teoría del electromagnetismo de Maxwell, el trabajo de Einstein hasta la mecánica cuántica, la teoría del campo cuántico, la relatividad general e incluso la gravedad cuántica, no distinguieron entre el pasado y el futuro, según el físico Rovelli.
Es impresionante porque la diferencia es obvia para todos. Si creas un largometraje, está claro cuál es el futuro y cuál es el pasado. La interrogante constante es ¿cómo estas descripciones del universo dan sentido al tiempo sin su propia flecha direccional?
La astrofísica Marina Cortés, de la Universidad de Lisboa, dijo que empezar con la pregunta ¿Por qué pasa el tiempo? tiene múltiples repercusiones. El año de la explosión. Otro punto de vista proviene del extremo opuesto: “la muerte final del universo”.
Pero antes de embarcarse en un viaje épico de ida y vuelta a través de la línea del tiempo cósmica, vale la pena detenerse en 1865, justo cuando tuvo lugar la Revolución Industrial y surgieron las primeras leyes verdaderas de la física en el tiempo.
Reunir suficiente vapor
En el siglo XIX, cuando se introdujo carbón en los hornos para generar energía de vapor, los expertos e ingenieros, con la esperanza de desarrollar mejores motores, adoptaron un conjunto de principios que describen la relación entre el calor, la energía y el movimiento. Estas son las que hoy en día conocemos como leyes de la termodinámica.
En el año 1865, el físico alemán Rudolph Clausius, indicó que no se puede transferir calor de objetos fríos a objetos calientes sin cambiar el entorno. Clausius desarrolló lo que llamó “entropía” para medir este comportamiento térmico. Otra forma de decir esto es que el calor nunca fluye de un cuerpo frío a un cuerpo caliente, es decir, la entropía solo aumenta, no disminuye
Para ilustrar, Rovelli tomó un bolígrafo y lo dejó caer de mano en mano. La diferencia entre algo caliente y algo frío es cuán excitadas están sus moléculas: en una máquina de vapor caliente, las moléculas de agua están muy excitadas, giran y chocan rápidamente entre sí.
Cuando las mismas moléculas de agua se condensan en el vidrio de la ventana, se agitan menos. Aquí está el problema, a medida que te acercas al nivel en el que una molécula de agua choca con otra y rebota, la flecha del tiempo se va desvaneciendo poco a poco.
Si mira un video microscópico de esta colisión y luego lo rebobina, no será claro, de un lado a otro. En la escala más pequeña, el fenómeno que produce calor es la colisión de moléculas, que es simétrica en el tiempo.
Ludwig Boltzmann
Esto significa que la flecha del tiempo del pasado al futuro aparece solo cuando una persona regresa del mundo microscópico al mundo macroscópico. Como se dio cuenta por primera vez el físico y filósofo austriaco Ludwig Boltzmann.
Eso no significa que el mundo esté fundamentalmente orientado al tiempo, dijo Rovelli. Cuando miramos a nuestro alrededor, vemos la dirección de las cosas. Lo común y lo cotidiano tienen más entropía: manzanas maduras que caen de los árboles, cartas barajadas.
Aunque la entropía parece inseparable de la flecha del tiempo, parece algo sorprendente, incluso desconcertante, que las únicas leyes de la física con una fuerte dirección del tiempo incorporada pierdan esa dirección cuando se consideran a escalas muy pequeñas. ¿Qué es la entropía?.
La entropía es cuánta microfísica olvidamos, cuántas moléculas olvidamos. Si hay una flecha del tiempo, ¿de dónde vino? La respuesta se encuentra en el comienzo del universo, dijo Carroll.
Honestamente, como cosmólogo en ejercicio, creo que mis compañeros cosmólogos se han dado por vencidos con esto. Carroll publicó un artículo con su colega Jennifer Chen en 2004 en el que intentaron explicar por qué la entropía del universo era tan baja cerca del Big Bang, en lugar de simplemente aceptarlo o aceptarlo.
Existen diversos agujeros en la teoría y muchos aspectos no están completamente maduros, pero también creo que esta es la mejor teoría hasta ahora, comentó Carroll. Otros cosmólogos coinciden en que es hora de pensar seriamente en el origen de la baja entropía del universo.
Faltando muchos ceros
La probabilidad de que nuestro universo actual tenga este tipo de condiciones iniciales y no otras es de uno en 10 a 10 a 124 (1:10^10^124), dijo Cortés. (Otra forma de decir esto es que la probabilidad del evento es 0.00…01 con 120 ceros faltantes).
“Creo que puedo decir con seguridad que este es el número más grande en la física moderna, fuera de la filosofía o las matemáticas“. Dando a entender que es poco probable que el origen de esta baja entropía sea cómo barrió el problema debajo de la alfombra.
Un buen ejemplo. Si los físicos siguen haciendo esto, después de un tiempo hay muchas cosas que se esconden debajo de la alfombra. Los cosmólogos tenemos que explicar por qué el tiempo sigue avanzando. Aunque todavía no sabemos por qué, el pasado de baja entropía del universo es una fuente plausible de las flechas del tiempo.
Como la mayoría de las cosas que tienen un principio, las flechas tienen un final. El primero en descubrir esto fue nuevamente el físico austriaco Ludwig Boltzmann. Boltzmann pensó: “Oh, la entropía del universo está aumentando, tal vez llegue a su punto máximo en algún momento”, expresó Rovelli.
No pasaría más nada interesante
En ese momento, el calor se distribuiría uniformemente por todo el universo y ya no fluiría de un lugar a otro. Una forma útil de energía no estaría disponible para realizar trabajo; en otras palabras, casi nada interesante sucedería en todo el universo.
Como lo describe la astrofísica Katie Mack: A medida que el proceso continúa, todo colapsa tanto que no queda nada más que el calor residual de todo lo que existió alguna vez en el universo. Este destino se llama muerte por calor o muerte por calor del universo.
“Las estrellas dejarán de arder y no volverá a pasar nada. Solo habrá pequeñas fluctuaciones térmicas“, dijo Rovelli. Interpretemos que sí, no tenemos seguridad de si sucederá, pero si asumimos que sucederá, ¿vamos a decir que no hay una dirección de tiempo? Por supuesto, no hay dirección del tiempo, porque cualquier fenómeno que ocurre en una dirección también puede ser en una u otra dirección.
Nada separa las dos direcciones del tiempo. Eso es probablemente lo más extraño de “Arrow of Time”, solamente duró un tiempo, comentó Carroll. Es difícil imaginar qué pasaría si la flecha del tiempo finalmente desapareciera. Nuestro sentido del paso del tiempo es precisamente lo que hace la entropía en nuestro cerebro.
La flecha del tiempo que surge de la entropía nos acerca un paso más a comprender por qué el tiempo solo avanza. Pero puede haber más flechas del tiempo que esta, de hecho, se puede decir que las flechas del tiempo van del pasado al futuro al unísono. Para entender esto, necesitamos pasar de la física a la filosofía.
Presencia del tiempo en el ser humano
La forma en que intuitivamente entendemos y experimentamos el tiempo no debe tomarse a la ligera, dice Janan Ismael; profesor de filosofía en la Universidad de Columbiaen Nueva York. Si piensas en tu experiencia del tiempo, puedes reconocer rápidamente varias flechas mentales que constituyen el núcleo de la experiencia humana. Una de las flechas es lo que Ismael denomina el flujo.
Si miras el mundo, no experimentas una representación puramente estática del estado actual del mundo. Como una película que consta de varios fotogramas estáticos por segundo. Vemos de primera mano que el mundo está cambiando. Esta experiencia del flujo del tiempo está integrada en nuestra percepción. La vista es completamente diferente a la de una cámara de cine, dijo Ismael.
Lo que realmente sucede es que tu cerebro recopila información durante un período de tiempo.
Integra esta información para que en un momento dado solo veas los cálculos que está haciendo tu cerebro. Así que no solo ves las cosas moviéndose, ves lo rápido que se mueven, en qué dirección se mueven. Así que tu cerebro ha integrado la información a lo largo de intervalos de tiempo y te ha dado los resultados, de esta manera es que ves el tiempo.
Ismael distingue otra característica del tiempo del flujo, a la que llama canales. Los pensamientos pasados están estrechamente relacionados con las experiencias orientadas al tiempo, como la memoria y la anticipación.
Hay muchas capas en nuestra experiencia de estos momentos, desde etapas conflictivas de planificación hasta la intensidad del día en sí, hasta nuestros recuerdos a lo largo de los años. Estas diferentes experiencias son instructivas, la forma en que anticipamos un evento futuro es fundamentalmente diferente de la forma en que lo recordamos después de que ya sucedió.
La orientación temporal
Eso es todo lo que creo que es parte de esta experiencia, la idea de que estamos pasando por cada evento como se esperaba del pasado, del presente, desde atrás, agregó Ismael. Estos aspectos de la orientación temporal psicológica y muchos otros, como nuestro sentido de apertura al futuro en lugar del pasado, pueden provenir de la flecha del tiempo creada por la Revolución Industrial.
Ahora no veo ninguna razón para creer que los tipos de flechas involucradas en la psique humana estén en última instancia enraizadas en flechas entrópicas. Pero eso es una cuestión de experiencia. No tengo motivos para creer que este proyecto para comprender la experiencia humana de las flechas de entropía fracasará.
Este proyecto es lo que Carroll espera lograr al conectar varias características de nuestra experiencia del tiempo con la entropía. Su primer propósito es la causalidad, otro elemento de la flecha del tiempo, ya que la causa precede al efecto. Por decir lo menos, este proyecto es una tarea importante para todos los físicos y filósofos involucrados.
Pero detrás de todos estos esfuerzos se encuentra la pregunta de por qué la entropía era tan baja en el universo primitivo. Entendemos por qué existen los fenómenos irreversibles y podemos reducirlo todo a la segunda ley de la termodinámica, que es el aumento de la entropía.