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sábado, 15 de febrero de 2014

Pero, ¿qué es el tiempo?


 Es una de esas grandes preguntas para las que nadie tiene una respuesta clara. Aunque nuestra vida cotidiana y toda la ciencia entera se base en el concepto y la medida del tiempo, no entendemos realmente qué es, por qué fluye siempre en una dirección y por qué sólo percibimos el delgado filo que existe entre el pasado y el futuro.

Como en una entrada próxima hablaremos de los viajes en el tiempo, primero es conveniente intentar aclarar el concepto desde una perspectiva científica moderna y permitirnos elucubrar un poco, que es gratis (de momento).


El tiempo como dimensión


Vimos en una entrada anterior que según el filósofo Immanuel Kant el tiempo no es algo que podemos percibir con los sentidos, algo objetivo en el mundo fuera de nosotros, sino una categoría que la mente impone a las percepciones para poder interpretarlas racionalmente. No podríamos concebir el mundo sin imponerle el tiempo (y el espacio, la cantidad y otras categorías). Por tanto seguro que hacernos preguntas sobre él nos va a llevar a paradojas y cuestiones imposibles de resolver.

Sin embargo el propio Kant admitía que para construir una imagen científica del mundo necesitábamos utilizar el tiempo en nuestro modelo.

Sea como sea, tras diversas nociones y teorías sobre el tiempo y el espacio en la historia de la filosofía (ver aquí un buen resumen) y de la ciencia (recomiendo el libro de Brian Greene "El Tejido del Cosmos"), llegamos en la época actual a una imagen que viene dominada por la Teoría de la Relatividad de Einstein, que revolucionó la imagen clásica del espacio y el tiempo.



La Teoría de la Relatividad describe un tejido del universo formado por cuatro dimensiones: las tres dimensiones de espacio y una dimensión de tiempo. En la siguiente figura se dibujan solamente dos de las tres dimensiones espaciales. Los conos indican que el movimiento a partir del punto central en el presente, o llegando hasta él desde el pasado, no puede salir de esos volúmenes al no poder superar la velocidad de la luz.


El gran cambio que supuso la teoría de Einstein fue rechazar que se puedan considerar como absolutos el espacio y el tiempo por separado, ya que dependen del movimiento del observador y de la gravedad, tal como vimos en esta entrada anterior. El siguiente video explica de forma gráfica los efectos de contracción de las distancias y dilatación del tiempo.



Sin embargo, contra la interpretación popular de la teoría, la Relatividad no acaba con la noción de un espacio y tiempo absolutos. Espacio y tiempo son por separado relativos al movimiento, pero el espacio-tiempo combinado en el tejido de cuatro dimensiones es absoluto y estático. Todo lo sucedido y todo lo que sucederá en cualquier instante de tiempo está ya contenido en una 'loncha' de este espacio-tiempo 4D.

Einstein pensaba que "Pasado, presente y futuro son sólo ilusiones, aunque sean ilusiones pertinaces", y el físico y divulgador científico Paul Davies lo resume diciendo que "el tiempo, en su marco conceptual, no transcurre, sino que simplemente es". Curiosamente, con la teoría de la relatividad se vuelve a la noción de Parménides de que el cambio realmente no existe, tan solo hay un 'ser' estático.


Recientemente se están elaborando teorías, como la de Wheeler y Spencer, que intentan mostrar cómo el tiempo puede surgir de la atemporalidad, como una mera medida de distancia desde el Big Bang en el espacio de cuatro dimensiones.

Para escapar a esta visión estática y determinista del espacio-tiempo tendríamos que recurrir a la noción de universos paralelos, multiverso o mundos múltiples. Nos referimos aquí no a universos que coexisten en un mismo espacio tiempo 4D o que están separados por otras dimensiones espaciales, sino a universos 4D que están separados por una segunda dimensión temporal como propone el físico Itzhak Bars.


En esta teoría, además de poder movernos por el tiempo normal de nuestro universo podríamos movernos de un universo alternativo a otro utilizando la segunda dimensión temporal.



Según la teoría cuántica clásica, cada partícula puede estar en múltiples estados mientras no se observa. Aunque esta 'superposición de estados' parezca extraña, se comprueba constantemente de forma experimental. Pues bien, según la interpretación de los mundos múltiples de la mecánica cuántica, cuando se mide el estado de una partícula, o en general cuando interactúan partículas con objetos, cada posible resultado aparece en un universo alternativo, y todos ellos son igualmente reales.



La flecha del tiempo


Si la naturaleza del tiempo como dimensión es un misterio, aún lo es más el hecho de que a diferencia del espacio esta dimensión parece fluir siempre en la misma dirección, y que solamente tenemos acceso a un momento (el presente) y a las huellas que ha dejado en este presente el pasado anterior. Pero nunca podemos observar el futuro, ni directamente ni mediante 'huellas' que deje en el presente (a menos que creamos en la premonión, adivinación, etc.).

Se utiliza la expresión 'flecha del tiempo' para referirse a estas características de la dimensión temporal. La noción tiene varios aspectos, unos físicos (la aparente irreversibilidad de los cambios en el tiempo) y otros psicológicos (la percepción limitada al presente y la visión unidireccional del tiempo).


La expresión 'flecha del tiempo' fue precisamente acuñada por el astrónomo Arthur Eddington en 1927 para abordar el problema de asignar una dirección al tiempo en teoría de la relatividad.

La paradoja a la que nos enfrentamos es que las ecuaciones de la física, incluyendo la mecánica cuántica, son reversibles en el tiempo. Desde el punto de vista de la física una película hacia atrás es tan válida como una película hacia adelante. Sin embargo nosotros percibimos siempre la 'película hacia adelante': los vasos se rompen y el agua se derrama, pero no a la inversa. Es la llamada paradoja de Loschmidt.



La explicación habitual desde Eddington es que la flecha del tiempo es causada por la segunda ley de la termodinámica, que afirma que el desorden (entropía) siempre crece, lo que hace que la mayoría de los procesos (como el vaso rompiéndose) sean irreversibles en el tiempo.


Sin embargo, esta explicación tiene un gran fallo. Está presuponiendo lo mismo que pretende explicar: que el tiempo avanza siempre hacia el futuro. La explicación microscópica del segundo principio de la termodinámica dice simplemente que un sistema pasa a estados más probables y que el desorden es más probable, por lo que lógicamente se tenderá a evolucionar a mayor desorden. La interpretación común es que esto sucede al ir avanzando en el tiempo:


Pero, como hemos visto, las leyes microscópicas de la física son reversibles y por lo tanto si suponemos un estado ordenado en un instante y pensamos qué pasaría si retrocediéramos hacia atrás en el tiempo, según las ecuaciones nos encontramos con el mismo resultado: un estado desordenado en el pasado:



Es decir, no hay nada que explique porqué la segunda ley de la termodinámica no funciona también en sentido temporal contrario (hacia el pasado).

¿Cómo se soluciona esta paradoja? Lo normal es utilizar el Big Bang, como hace Brian Greene. El origen del universo que conocemos se produjo en un estado muy ordenado. Si asumimos la versión oficial de la teoria, el espacio-tiempo se creó en ese mismo instante, y así eliminamos la posibilidad de ir hacia atrás en el tiempo desde ese punto de baja entropía. Problema solucionado (para los que aceptan esta explicación):


Otra solución sugiere que en realidad en el Big Bang se crearon dos universos, uno que evolucionó en una dirección de tiempo y otro en la opuesta a partir del momento de la creación, cada uno avanzando hacia estados más desordenados. Nuestro universo podría ser cualquiera de los dos, puesto que no sabemos distinguir la dirección +t de la dirección -t (en ambos casos parecer que todo se mueve 'hacia delante' en el tiempo).


Estas teorías se denominan de los dos 'futuros'uno en cada dirección del tiempo.


Otra solución más, cortesía de Roger Penrose, especialista en resolver problemas raros con ideas aún más raras, es que de alguna manera el estado futuro de nuestro universo, con un máximo desorden, se convierte en el Big Bang de un nuevo ciclo universal. ¿Cómo puede producirse este 'reinicio'? La idea es pensar a una escala diferente. Visto por unos seres que vivieran en una escala de tiempo y espacio mucho mayor que la nuestra, el fin de nuestro universo sería equivalente al principio de uno nuevo. Quien quiera intentar entenderlo puede consultar el libro de Penrose.



Elucubraciones bidireccionales


Personalmente no me convence ninguna de las explicaciones anteriores. Podrían explicar porqué la entropía crece a la escala del universo, pero no porqué existe una irreversibilidad en las situaciones cotidianas como la rotura de un vaso. Si creáramos una caja completamente aislada del resto del universo, de manera que no le afectara nada de lo que sucede alrededor (y mucho menos la expansión del universo), aún tendríamos que explicar porqué en su interior el desorden solo crece hacia el futuro.

Hay algunos intentos de buscar otras explicaciones que no utilicen la cosmología. Una es la teoría propuesta por Lorenzo Maccone, basada en el concepto de entropía o información cuántica. Maccone demuestra que en ciertas situaciones, cuando el estado de diferentes partículas está ligado se puede producir una reducción de la entropía en una parte del sistema 'borrando' su estado, aprovechando el hecho de que está enlazado a otras partes del sistema.


Lo que esta teoría sugiere es que sería concebible que en nuestro universo hubiera simultáneamente un flujo de aumento de entropía hacia el futuro y otro de disminución, pero que no fuéramos conscientes de este segundo flujo, lo que de alguna forma podría explicar que nos parezca 'avanzar' en el tiempo en la dirección de aumento de la entropía.

Puestos a pensar en flujos simultáneos de entropía en direcciones inversas de tiempo, se me ocurre que podríamos recurrir al concepto de taquión, muy utilizado en ciencia-ficción pero que tiene su base en las matemáticas de la Teoría de la Relatividad.

Los taquiones serían partículas hipotéticas con masa imaginaria (esto es compatible en principio con las ecuaciones de Einstein), lo que las dotaría de extrañas propiedades:
  • Al contrario que la materia ordinaria (que se mueve siempre a velocidad inferior a la de la luz), la 'materia taquiónica' se mueve siempre con velocidad superior a la de la luz. Por tanto, fuera del cono en el que se mueve la materia ordinaria en el espacio 4D (véase la flecha roja en el siguiente diagrama):

  • Al aumentar su energía, los taquiones irían más lentos (en lugar de más rápidos, como la materia ordinaria).
  • Los taquiones viajarían hacia atrás en el tiempo, desde el punto de vista de la materia ordinaria.

De las propiedades anteriores podemos ver que habría tres ámbitos de la realidad respecto al tiempo:
  • La materia ordinaria, de masa real, que al aumentar su energía puede moverse más rápido, pero sin llegar nunca a alcanzar el límite de la velocidad de la luz.
  • La materia de masa nula (incluye la luz, y quizás los neutrinos y otras partículas de masa cero). No puede moverse a otra velocidad diferente que la de la luz (en el vacío) y el tiempo no transcurre para ella.
  • La materia taquiónica (masa imaginaria). Se mueve más rápido que la luz, pero al aumentar su energía puede disminuir su velocidad, acercándose a la de la luz. El tiempo para ella se mueve en sentido contrario al de la materia ordinaria.


Esta imagen de una realidad dual permitiría conciliar dos flujos de entropía, uno que se moviera hacia el aumento del desorden en el 'futuro' (el nuestro) y otro que aumentara el desorden hacia nuestro pasado, pero en un ámbito de la realidad que no se comunica con el nuestro, preservando la simetría total de la entropía y del tiempo. Aquí queda la idea.


Muchos físicos rechazan la posibilidad real de los taquiones, porque en el caso de que ese ámbito de la realidad pudiera comunicarse con el de la materia ordinaria sería posible recibir señales del futuro y quizás enviarlas al pasado (razón por la cual los taquiones son utilizados por los escritores de ciencia-ficción). Entonces caeríamos en las conocidas paradojas causales que aparecen si podemos influir en el pasado (del tipo: "¿Qué pasa si matas a tu abuelo?"). Como trataremos del viaje en el tiempo en otra ocasión, dejamos esa discusión para entonces.


Música intemporal


El tema del tiempo ha inspirado clásicos de la literatura, la pintura y las demás artes, incluyendo algunos magníficos en la música. Os dejo una muestra muy personal.
  • "Time" de Pink Floyd. Aún apabullante después de tantos años...

  • "Time" de Alan Parsons Project. Un poco enmohecido, pero con buena voluntad la poesía aún persiste:


  • "Twilight", del album "Time" de la Electric Light Orchestra. También se va desplazando a un pasado de baja entropía, pero su energía aún puede activarnos en el presente.


  • "Time", tema final de la película "Origen". Demuestra que el tema del tiempo es inmortal e inagotablemente emotivo.



Hasta la próxima (o la anterior, para los que vengan desde el futuro),

   Salvador



5 comentarios:

  1. Eres un hacha explicándote y exponiendo ideas......supongo que ya te lo habrán dicho antes. Me alegro de que tengas tiempo de hacer estas entradas, de otro modo mi ignorancia seguiría tendiendo indefinidamente hacia la alta entropía....

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    1. Gracias. Me sirve para ponerme al día yo también :-)

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  2. Sin estas entradas geniales mi ignorancia taquiónica tendería hacia la alta entropía.
    Gran banda sonora. Alan Parsons "enmohecido"? ......Naaaaaaaa he's the F Máster!

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  3. Pues por ahí siguen, de gira eterna, supongo que actualizando un poco los arreglos :-)

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  4. Eso me anima...tengo veintipico años menos para seguir aprendiendo a hacer canciones. De ellos me inspira la pulcritud y a la vez la elegancia y la emoción contenida. Sin duda uno de mía grandes referentes. Un fact muy al time favourite álbum is Eye in the Sky.

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