24/Nov/08

Revista Axxón Axxón en facebook Lectores de Axxón en facebook

¿Qué le marca el tiempo al universo?

Les Smolin quiere ahorrarle su tiempo. No es un gurú del estilo de vida que ofrece opiniones útiles sobre administrarse a diario, sin embargo: es un físico que trabaja en el Perimeter Institute para Theoretical Physics en Ontario, Canadá. Muchos de sus colegas, dice, están planeando librar al universo de la sensata idea de que el tiempo pasa. Smolin no lo tiene

Los físicos se han vuelto cada vez más discutidores sobre qué es exactamente el tiempo, porque ahora está siendo reconocido como quizás la cuestión más fundamental de todas. Durante décadas han intentado casar la mecánica cuántica, nuestra teoría de cómo se comportan las cosas muy pequeñas, con la relatividad, nuestra teoría de cómo interactúan el espacio, el tiempo y la materia. Esto nos daría la teoría buscada durante tanto tiempo de la gravedad cuántica que describe todo el universo.

Definir esta teoría ha sido una ardua lucha, sin embargo, porque está poco claro cómo encaja el tiempo dentro de ella. "Hay conceptos de tiempo muy diferentes en la relatividad general y la teoría cuántica", dice Smolin. "Está muy claro que la naturaleza del tiempo es el asunto clave".

El mes pasado, Smolin y otros teóricos, junto con matemáticos y filósofos, se reunieron en el Perimeter Institute para discutir los problemas del tiempo. Tan complejo es el asunto que todos los involucrados parecen tener una idea diferente. Resulta que si uno quiere comprender el tiempo, necesita hacer algunas mediciones desde el futuro, observar un Big Bang cuando estalla en el borde del universo, o ahondar en las anomalías presentadas por la más indisciplinada de las partículas subatómicas. Para algunos, la única solución es desechar totalmente la idea del tiempo.

Desde hace mucho tiempo los científicos se preocupan por la naturaleza del tiempo. A principios del siglo XVIII, Isaac Newton y Gottfried Leibniz discutieron sobre si el tiempo era realmente fundamental para el universo. Entonces llegó Einstein y creó más problemas: su teoría general de la relatividad es la responsable de las más contra-intuitivas nociones del tiempo.

La relatividad general entreteje el espacio, el tiempo y la gravedad. Derrotando todo sentido común, cómo pasa el tiempo en el universo de Einstein depende de lo que está haciendo y dónde. Los relojes funcionan más rápido cuando la atracción de la gravedad es más débil, de modo si vive en la cima de un rascacielos envejecerá ligeramente más rápido que si viviera en la planta baja, donde la atracción gravitatoria de la Tierra es más fuerte. "La relatividad general cambió completamente nuestra comprensión del tiempo", dice Carlo Rovelli, físico teórico en la Universidad del Mediterráneo en Marsella, Francia.

En el otro extremo está el mundo cuántico, donde el tiempo parece ser casi irrelevante. "La teoría cuántica en realidad no permite la medición del tiempo", dice Aephraim Steinberg de la University of Toronto en Canadá. "Preguntar cuánto tiempo está una partícula en cierta región del espacio resulta ser algo que, en la teoría cuántica, puede tener centenares -o un número infinito- de respuestas diferentes".

Esta contradicción de la descripción del tiempo en la teoría de la relatividad general y la teoría cuántica es el escollo fundamental para una única teoría que describa todo el universo. Cómo conciliar las dos descripciones del tiempo continúa dejando sin palabras a las mejores mentes del mundo. No hay escasez de ideas, sin embargo, con algunos que creen que podríamos hacer progresos hacia una teoría cuántica de la gravedad si pensamos lo inimaginable y abolimos el tiempo totalmente. "La solución a las presentes dificultades sobre el tiempo es justamente olvidarse de él", dice Rovelli.

Por lo menos su enfoque tiene el mérito de la simplicidad. En lugar de describir cómo evolucionan las cosas en el tiempo, deberíamos describir solamente cómo se relacionan las cosas físicas entre sí, dice Rovelli. De modo que más que pensar que un péndulo oscila con el tiempo y la mano de un reloj se mueve con el tiempo, sería mejor considerar la relación entre la posición del péndulo y la posición de la mano.

En el esquema de Rovelli, las manos de un reloj no señalan hacia arriba porque el universo dice que son las 12; señalan hacia arriba por la ubicación del péndulo. Por lo tanto, la idea de tiempo sólo es significativa en una pequeña gama de situación físicas en el universo, como la experiencia humana. En la mayor parte de los casos, sin embargo, el tiempo no tiene sentido. "En general, no hay tiempo en absoluto", dice Rovelli.

Aunque este enfoque podría parecer radical, muchos investigadores comparten las opiniones de Rovelli. Por ejemplo, Harvey Brown, experto en interpretaciones científicas de la realidad de la Universidad de Oxford, ha argumentado que "construimos" el tiempo desde las propiedades físicas de las cosas a nuestro alrededor.

Newton y Leibniz debatieron este mismo punto. Newton retrató al espacio y al tiempo con existencias por separado, mientras que Rovelli y Brown comparten la opinión de Leibniz de que el tiempo y el espacio sólo existen como propiedades de las cosas y de las relaciones entre ellas.

Todavía no está claro quién tiene razón, dice John Norton, filósofo con base en la University of Pittsburgh, Pensilvania. Norton duda en expresarlo, pero su instinto -y el consenso en física- parece ser que el espacio y el tiempo existen por su cuenta. El problema con esta idea, sin embargo, es que no se acomoda con la relatividad, que describe el espacio-tiempo como una trama maleable cuya geometría puede ser cambiada por la gravedad de las estrellas, los planetas y la materia. Si la propiedad central del espacio-tiempo es el resultado de la existencia de la materia, ¿cómo podemos estar seguros de que el espacio y el tiempo existen de manera independiente y que no son ilusiones convenientes? "De allí mi duda", dice Norton.

Guardianes del tiempo

Mientras Norton vacila, Smolin está decidido a rescatar el tiempo. Cree que el tiempo tiene que ser real y que es una propiedad fundamental del universo. Surge la confusión porque nuestras mejores ideas de cómo funciona el universo todavía están incompletas, dice Smolin. Señala que nuestros experimentos científicos y modelos matemáticos siempre tuvieron que ver con una sub-sección del universo. Tomarle el tiempo a un huevo pasado por agua, por ejemplo, tiene sentido porque el reloj es externo al sistema huevo-hervir. Cuando se trata del universo, sin embargo, no se puede poner un reloj fuera de él.

Hacer un modelo de todo el universo en una única teoría requerirá por lo tanto un tipo de modelo fundamentalmente diferente a cualquier otro porque todos los relojes estarán contenidos en él. La única respuesta, reconoce Smolin, es que tenemos que hacer física de una manera diferente.

Smolin, que ha estado trabajando sobre este tema con el filósofo Roberto Mangabeira Unger de la Harvard University, cree que sabe hacia dónde deberíamos ir. Quiere descartar la idea de que las leyes de la física han sido siempre verdaderas y que siempre lo serán. "¿Cómo es aplicable una ley eternamente a un universo que comenzó hace poco tiempo?", pregunta. "¿Qué es posible que signifique decir que las leyes de la física son eternamente verdaderas si el universo al que se aplican tiene menos de 14.000 millones de años?"

En cambio, el espacio y las leyes de la física deben emerger a medida que el universo se despliega, dice. Las propiedades de las partículas y fuerzas fundamentales, incluso la idea de la conservación de la energía o el momentum, son todas dependientes del estado del universo, y como tales sujetas a cambios.

La evidencia para respaldar esta opinión viene de los experimentos en los colisionadores de partículas, que pueden recrear la energía por unidad de volumen encontrada en el universo temprano. Ellos han mostrado que las interacciones controladas por la fuerza electromagnética y llamada "débil" no siempre han sido las mismas. En los primeros momentos del universo, las dos fuerzas estaban unidas en una fuerza electro-débil. Luego, a medida que el universo se enfriaba, se dividió en las dos que conocemos hoy. Y es probable -si los intentos de unir todas las fuerzas de la naturaleza en una teoría de todo están en el curso correcto- que esto también es verdad en las otras fuerzas de la naturaleza, incluso la gravedad y la poderosa fuerza dentro de los núcleos atómicos.

En otras palabras, no hay razón por la que las leyes de la física no puedan haber evolucionado, siendo el único elemento fundamental el tiempo. "El espacio podría ser emergente, la materia podría ser emergente, las partículas y los campos pueden ser emergentes, pero no creo que haya una descripción fundamental de la naturaleza sin el tiempo", dice Smolin.

Roger Penrose, matemático en la Universidad de Oxford, no está tan seguro. Ocupa un lugar intermedio: el tiempo, dice, aparece y desaparece a medida que el universo madura.

La sugerencia de Penrose surge de uno de los comentarios más convincentes sobre el tiempo, hecho por el físico austriaco Ludwig Boltzmann. Boltzmann identificó que la razón tiempo tiene una "flecha" que apunta desde el pasado hacia el futuro yace en la segunda ley de la termodinámica, que establece que la entropía, o desorden, del universo siempre está aumentando.

La flecha del tiempo de Boltzmann presenta un acertijo porque significa que el universo debe haberse puesto en camino en su estado más ordenado y se ha venido desordenando desde entonces. Esos estados de baja entropía son muy especiales: por ejemplo, un lápiz equilibrado sobre su extremo terminará inevitablemente apoyado sobre su costado y por lo tanto en un estado de más alta entropía. Entonces, ¿qué causó la especialidad inicial del universo?

Penrose tiene una respuesta polémica. Cree que el estado especial y de baja entropía surgió por la geometría inicial del espacio y el tiempo. "El campo gravitatorio empezó por ser muy especial en el Big Bang", dice.

La idea es difícil de formalizar, dice Penrose, porque la relatividad general no proporciona una medida clara de la entropía de un campo gravitatorio. Pero cree que hay buenas razones para ver la sugerencia como posible, incluso la manera en que evolucionan los agujeros negros y la configuración del universo.

Si el tiempo existe efectivamente, entonces nos regresa a la otra parte del problema. ¿Qué hacemos con la parte cuántica del tiempo?

Esta pregunta también tiene un pedigrí poderoso. En los '30, el genio matemático John von Neumann trató de usar las ideas de Boltzmann para construir una flecha cuántica de tiempo. Falló, como todos los que lo han intentado desde entonces.

Eso no sorprende a Steinberg, cuyo trabajo con sistemas cuánticos lo ha convencido de que nos estamos olvidando de una idea fundamental: qué es el tiempo. Para ilustrar el punto, Steinberg considera un proceso de la mecánica cuántica llamado "hacer un túnel", que permite que partículas como los fotones crucen a través de barreras sin energía suficiente para derribar. Steinberg hace una pregunta sencilla: ¿cuánto tiempo necesita la partícula para cruzar la barrera? Fue hecha por primera vez en los '30, y la respuesta permanece elusiva.

Mientras los experimentos cuánticos miden ciertas propiedades de las partículas, como posición, velocidad o giro, no miden cómo marcan el paso del tiempo. "En la formulación estándar de la mecánica cuántica, el tiempo no juega el rol de un observable en absoluto", dice Steinberg. Hay una variedad de experimentos sutiles que podrían extraer una respuesta, pero hasta ahora todos dan resultados diferentes, a veces cientos de ellos, dice Steinberg.

Otro problema con las ideas cuánticas del tiempo es que las partículas como electrones y fotones no están obligadas por la misma flecha del tiempo que nosotros. En cambio, el estado cuántico que las describe evoluciona tanto hacia adelante como hacia atrás en el tiempo. Es un asunto que Lev Vaidman de la Tel Aviv University en Israel piensa que tenemos que resolver antes de que podamos construir una teoría de gravedad cuántica. Nuestras descripciones del universo, dice, están incompletas si no tenemos información desde el futuro. "El pasado no describe totalmente el estado actual del mundo", dice Vaidman. "Los resultados de las mediciones futuras añaden nueva información sobre el presente".

Podría sonar ridículo que la información de las mediciones futuras afecte al presente. Sin embargo, los investigadores cuánticos están aprendiendo a llevar a cabo experimentos con fotones y electrones donde las observaciones realizadas afectan la naturaleza de su pasado. Los físicos llaman este extraño fenómeno "post-selección", y muestra cómo podemos ver la información que se escapa hacia atrás desde el futuro.

De acuerdo con Joan Vaccaro de la Universidad Griffith en Queensland, Australia, ésa es exactamente la clase de consideración que puede finalmente darnos la respuesta a una de las preguntas humanas más fundamentales: ¿por qué, si las partículas cuánticas lo hacen en ambos sentidos, percibimos que el tiempo sólo corre hacia adelante?

Vaccaro calcula que la clave para comprender el tiempo podría yacer en una anomalía que ya tiene 40 años centrada en la propiedad de viajar en el tiempo de las partículas llamadas kaones neutros. Estas partículas de larga vida son raras porque dos de sus propiedades, conocidas como carga y paridad, violan la ley de conservación de la energía, de otra manera bien respetada. Conocida como invariante CP, dice que las partículas se verán igual si se invierte la carga y se intercambia derecha por izquierda, arriba por abajo. Sin embargo, los físicos han descubierto que los kaones neutrales se desintegran de maneras que sólo son posibles si burlan su invariante CP.

La violación de CP tiene una implicancia más amplia. Significa que las cosas no funcionan igual para los kaones neutrales si se invierte la dirección del tiempo, mientras que casi todas las otras partículas son indiferentes a la dirección del tiempo. En su análisis de este escenario, Vaccaro ha descubierto que un estado cuántico "presente" de un kaon neutral es mil millones de veces más similar a su futuro estado cuántico que a su estado cuántico pasado. Esto significa que es más probable que el estado actual evolucione hacia el futuro que hacia el pasado. "El efecto en conjunto es como una caminata aleatoria con un fuerte prejuicio en una dirección", dice Vaccaro. "Podemos caminar a veces hacia atrás, pero en promedio nos movemos hacia adelante en el tiempo".

Esa violación podría producir efectos importantes, especula Vaccaro; efectos como un universo que sólo se mueve en una dirección en el tiempo. "El universo en su conjunto viola la invariante CP porque los kaones neutrales que contiene lo hacen", dice. "Si es más probable que el universo esté en un estado futuro, entonces también nosotros, porque somos parte de él".

Es sólo una idea, y es difícil ver cómo se probaría en un experimento. Pero, como todas las ideas de vanguardia sobre el tiempo, muestra que estamos aprendiendo cómo acercarnos a la más desconcertante de las tareas. Quizás, si supiéramos en qué dirección caminar, encontraríamos que la teoría final del tiempo está apenas un poco más allá de las puntas de nuestros dedos.

Es sorprendente, pero hay una opción que nadie parece estar considerando. Desde hace tiempo sabemos que la relatividad admite el viaje a través del tiempo: los astronautas que viajan sumamente rápido, por ejemplo, en realidad se moverían hacia el futuro de la Tierra. De modo que quizás la manera más fácil de buscar los secretos del tiempo sería construir un cohete lo bastante rápido y despegar para ver cómo lo hicieron las futuras generaciones de físicos. Tal vez, en un acto de espionaje temporal, podríamos traer las respuestas para que Smolin y sus colegas las examinaran. Ahora, eso sí nos ahorraría tiempo.

Fuente: New Scientist. Aportado por Graciela Lorenzo Tillard