¿Qué es el tiempo; y por qué avanza hacia adelante?

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Imagina que el tiempo marchara hacia atrás. Las personas rejuvenecerían en vez de envejecer y, tras una larga vida de rejuvenecimiento gradual, desaprendiendo todo aquello que sabían, desaparecerían en una chispa ante los ojos de sus padres. Así es como se representa el tiempo en una novela escrita por el escritor de ciencia ficción Philip K. Dick, si bien, sorprendentemente, la dirección del tiempo es un problema que los cosmólogos están tratando de resolver.

Mientras damos por sentado que el tiempo tiene una dirección establecida, los físicos no lo hacen: la mayoría de las leyes naturales son “reversibles en el tiempo”, lo que significa que funcionarían igual de bien si se definieran sucediendo al revés. Si esto es así, ¿por qué el tiempo siempre se mueve hacia adelante? Y, ¿lo hará siempre?

¿Tiene el tiempo un principio?

Cualquier concepto universal de tiempo debe basarse en última instancia en la evolución del cosmos. Cuando miras hacia el universo, estás viendo acontecimientos que sucedieron en el pasado, pues la luz necesita un tiempo hasta llegar a nosotros. De hecho, incluso la observación más simple puede ayudarnos a entender el tiempo cosmológico: por ejemplo, el hecho de que el cielo nocturno es oscuro. Si el universo tuvo un pasado infinito y tiene una extensión infinita, el cielo nocturno debería ser completamente brillante; lleno de la luz de un número infinito de estrellas en un cosmos que siempre ha existido.

Durante mucho tiempo los científicos, entre ellos Albert Einstein, pensaron que el universo era estático e infinito. Las observaciones han demostrado que se está expandiendo, y de hecho lo hace a un ritmo acelerado. Esto significa que debe haberse originado de un estado más compacto que llamamos el Big Bang, lo que implicaría que el tiempo tiene un comienzo. De hecho, si observamos la luz de suficiente antigüedad, podemos ver incluso la arcaica radiación del Big Bang: la radiación de fondo de microondas. Darse cuenta de esto fue el primer paso para determinar la edad del universo (ver más abajo).

Pero hay una pega, la teoría especial de la relatividad de Einstein, muestra que el tiempo es… relativo: cuanto más rápido te mueves con relación a mí, más lento pasará el tiempo desde tu punto de vista en relación con mi percepción del tiempo. Así que en nuestro universo de galaxias en expansión, estrellas arremolinándose y planetas girando, la experiencia del tiempo varía: el pasado, presente y futuro de todo es relativo.

Entonces, ¿hay un tiempo universal en el que todos podemos estar de acuerdo?

(Imagen ampliable) La línea del tiempo del Universo. Título: La acelerada expansión del Universo. Eje-x: expansión acelerada de la energía oscura. Eje-y: 13.7 mil millones de años. Abajo: Big Bang/Inflación. Radiación arcaica (Radiación de fondo de microondas). Edad oscura. Imagen: Design Alex Mittelmann, Coldcreation/wikimedia, CC BY-SA

Resulta que debido a que el universo es, de media, igual en todas partes, y de media se ve igual en todas las direcciones, sí existe un “tiempo cósmico”. Para medirlo, todo lo que tenemos que hacer es medir las propiedades de la radiación del fondo cósmico. Los cosmólogos han utilizado esto para determinar la edad del universo; su edad cósmica. Resulta que el universo tiene 13.799 millones de años.

La flecha del tiempo

Así que sabemos que lo más probable es que el tiempo comenzase con el Big Bang. Pero existe una acuciante pregunta nos queda por hacer: ¿qué es el tiempo? [Para saber qué es el tiempo y cuánto dura el instante más breve, puedes leer nuestra historia “¿Qué es el tiempo; cuánto dura el momento más breve; se puede observar?”]

Para descomponer esta pregunta, tenemos que mirar las propiedades básicas del espacio y el tiempo. En la dimensión del espacio, uno puede moverse hacia delante y hacia atrás; los pasajeros experimentan esto todos los días. Pero el tiempo es diferente, tiene una dirección, siempre se mueve hacia adelante, no a la inversa. ¿Por qué es la dimensión del tiempo irreversible? Este es uno de los principales problemas no resueltos en la física.

[Para entender qué es el espacio-tiempo y por qué el tiempo es tratado como una dimensión más junto con las del espacio, puedes ver la historia “¿Qué es el espacio-tiempo?”]

Para explicar por qué el tiempo mismo es irreversible, tenemos que encontrar procesos en la naturaleza que también son irreversibles. Uno de los pocos conceptos de la física (y la vida) Es que las cosas tienden a ser menos “ordenadas” a medida que pasa el tiempo. Describimos este estado usando una propiedad física llamada entropía que describe el grado de organización de las cosas.

Imagina una caja de gas en el que todas las partículas se colocaran inicialmente en una esquina (un estado ordenado). Con el tiempo, naturalmente, tratarán de llenar toda la caja (un estado desordenado), y poner las partículas de nuevo en un estado ordenado requeriría energía. Esto es irreversible. Es como romper un huevo para hacer una tortilla; una vez que se extiende y llena la sartén, nunca volverá de nuevo a tener forma de huevo. Lo mismo sucede con el universo: a medida que evoluciona, la entropía general aumenta.

Desafortunadamente, eso no se va a recoger solo. Imagen: Alex Dinovitser/wikimedia, CC BY-SA

Resulta que la entropía es una buena manera de explicar la flecha del tiempo. Y si bien puede parecer que el universo se esté volviendo más ordenado y no menos, pasando paulatinamente de un salvaje océano de gas caliente de forma relativamente uniforme en sus primeras etapas a su expansión en estrellas, planetas, seres humanos y artículos acerca del tiempo, es posible sin embargo que esté aumentando en desorden. Esto se debe a la gravedad asociada a grandes masas puede estar tirando de la materia hacia estados aparentemente ordenados, mientras que el aumento del desorden que creemos que debió haber tenido lugar en el pasado pueda permanecer escondido en los campos gravitacionales. Así pues, el desorden podría estar aumentando a pesar de que no lo vemos.

Sin embargo, dada la tendencia de la naturaleza a preferir el desorden, ¿por qué se inició el universo en un estado tan ordenado en el primer lugar? Esto todavía se considera un misterio. Algunos investigadores sostienen que el Big Bang pudo incluso no haber sido el comienzo, y que pueden existir de hecho “universos paralelos” donde el tiempo se suceda en diferentes direcciones.

¿Terminará alguna vez el tiempo?

El tiempo pudo haber tenido un comienzo, pero que tenga o no un final dependerá de la naturaleza de la energía oscura que está causando que se expanda a un ritmo acelerado. La expansión a gran ritmo puede llegar a despedazar el universo, obligándole a terminar en un Gran Desgarramiento (el Big Rip); alternativamente, la energía oscura puede decaer, invirtiendo el Big Bang y terminando el Universo en un Gran Colapso (el Big Crunch); o el Universo podría simplemente expandirse para siempre.

Pero ¿podría alguno de estos escenarios futuros terminar con el tiempo? Pues bien, de acuerdo con las extrañas reglas de la mecánica cuántica, diminutas partículas aleatorias pueden aparecer momentáneamente en un vacío (algo que se ve constantemente en los experimentos de física de partículas). Algunos han argumentado que la energía oscura podría causar este tipo de “fluctuaciones cuánticas” que dan lugar a un nuevo Big Bang, lo que terminaría nuestra línea de tiempo y comenzaría una nueva. Si bien esto es muy especulativo y altamente improbable, lo que sí sabemos es que sólo cuando entendamos la energía oscura sabremos el destino del universo.

Ahora bien, ¿cuál es el resultado más probable? Sólo [como dijo Mike Oldfield] el tiempo lo dirá.

Artículo originalmente publicado en The Conversation.

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2017-02-13T19:07:15+00:00