Sobre el tiempo…

– La física moderna sugiere que el tiempo no avanza, es solo una ilusión

The Conversation(A.C.González)/DW/ Muy Interesante(M.A.Sabadell) — ¿Qué es el tiempo? Un concepto tan familiar parece no requerir explicación. Sin embargo, la física moderna ha desmontado muchas de nuestras intuiciones y el tiempo resulta, en gran parte, una ilusión.

El debate sobre el verdadero significado del tiempo, incluso sobre su propia existencia a un nivel fundamental, está hoy más vivo que nunca y entronca con las cuestiones más profundas de la física teórica.

– Einstein y el espacio-tiempo

A comienzos del siglo XX, Albert Einstein revolucionó nuestra concepción del espacio y el tiempo con su teoría de la relatividad especial (1905) y general (1915). Según estas, el tiempo depende de la velocidad del observador y del campo gravitatorio al que está sometido, fenómenos que han sido demostrados experimentalmente.

Desde entonces concebimos el tiempo como una dimensión del mismo carácter que las tres dimensiones espaciales: la cuarta dimensión.

– El tiempo transcurre más lento en la cabeza que en los pies

Supongamos que el reloj de su casa marca las 10 cuando usted sale a dar un paseo, y las 11 cuando regresa. El sentido común dice que para usted ha transcurrido una hora y que el reloj que lleva en el bolsillo (si funciona bien) también habrá corrido una hora. Pero, estrictamente hablando, eso es incorrecto.

Por haberse movido, el tiempo transcurrido para usted y su reloj es ligeramente más corto que para el que dejó en casa. La diferencia es tan pequeña que a efectos prácticos es nula. Pero cuando se hace este tipo de experimento usando relojes atómicos se comprueba que el tiempo transcurrido es distinto (y la discrepancia es exactamente la que predice la teoría de Einstein).

Lo mismo sucede con la gravedad: cuanto mayor es el campo gravitatorio más lentamente transcurre el tiempo. Cuando usted está de pie, el tiempo transcurre más rápido en su cabeza que en sus pies. Esto también se ha comprobado experimentalmente.

No hay un tiempo universal. No es posible decir que “en un momento dado” la realidad es una determinada, compuesta de hechos que suceden simultáneamente en diferentes lugares. Para otro observador los hechos que configuran “la realidad del presente” son otros.

– El fluir del tiempo para la física

La percepción psicológica más poderosa acerca del tiempo es que, a diferencia del espacio, éste fluye. Los hechos pasados ya sucedieron. Existieron, pero ya no existen. Y los futuros aún no han sucedido. Solo el presente tiene existencia real.

Sin embargo, no hay nada en las ecuaciones de la física que nos diga que el tiempo fluye de esta manera. Esas leyes relacionan sucesos en tiempos diferentes (o sea, caracterizados por valores diferentes de la coordenada tiempo), pero no nos dicen que el tiempo transcurra del pasado hacia el futuro.

Por increíble que parezca, el paso del tiempo es probablemente una ilusión. Eso sí, una ilusión fortísima.

– ¿A qué se debe esa alucinación colectiva?

Suponga que el tiempo fluyera más despacio. ¿En qué lo notaría? En este juego no debe hacerse la trampa de imaginar que el tiempo fluye más lento para todos, excepto para nosotros.

Nosotros somos parte del universo y, por tanto, los procesos de nuestro cerebro (y los consiguientes pensamientos) también se ralentizarían, en sincronía con todos los relojes. Por tanto, la respuesta es que no lo notaríamos en absoluto. Todo lo percibiríamos exactamente igual.

Esto sería así incluso aunque el “fluir del tiempo” fuera hacia atrás. En cada momento nuestros pensamientos serían idénticos, y como consecuencia también lo serían nuestros “recuerdos” y nuestra percepción del tiempo.

– La flecha del tiempo

Sin embargo, el tiempo parece transcurrir, y además lo hace en una dirección determinada y no en la opuesta. Es lo que se llama “flecha del tiempo”. Cuando agitamos leche en una taza de café, ambos se mezclan, pero nunca ocurre al revés. Cuando un huevo se nos cae al suelo, se rompe, pero nunca sucede que los trozos se recompongan espontáneamente y el huevo salte a nuestras manos.

 La razón de estos procesos aparentemente irreversibles está en el segundo principio de la termodinámica, según el cual “la entropía siempre tiende a aumentar”.

En términos coloquiales, la entropía es algo parecido al desorden de un sistema físico. Realmente, el segundo principio no es una ley física, sino pura estadística. Hay muchos más estados desordenados que ordenados y, por tanto, la evolución siempre tiende a desordenar los sistemas.

Tome un mazo de 20 cartas rojas sobre 20 cartas negras y mézclelo. Enseguida perderá esa configuración especial. Pero por mucho que baraje, en la práctica nunca volverá a la configuración inicial, aunque en principio sería posible. Son estos procesos irreversibles los que crean una flecha del tiempo, los que distinguen el pasado (entropía menor) del futuro (entropía mayor).

– El orden en el Big Bang

El universo en el momento del Big Bang presentaba muy baja entropía, es decir, muy poco desorden. Nadie conoce el porqué de este hecho crucial (aunque hay modelos interesantes para explicarlo), pero gracias a él la entropía pudo aumentar y originarse la flecha del tiempo que nos es familiar.

Desde aquel instante remoto, la entropía no ha hecho más que crecer a través de procesos irreversibles, como los mencionados (huevos que se rompen, líquidos que se mezclan) y otros de más envergadura (estrellas quemando hidrógeno).

Los procesos irreversibles producen una poderosa sensación de causa y efecto, en ese orden temporal. Sin embargo, en las ecuaciones de la física no encontramos esa distinción, ya que todos los procesos son en realidad reversibles.

– La piedra en el estanque

Imagine que deja caer una piedra a un estanque, originando las típicas ondas concéntricas en la superficie.

En principio, el proceso podría tener lugar al revés: por una fluctuación aleatoria de la superficie del agua se formarían ondas perfectamente concéntricas que avanzarían hasta el centro donde se produciría un remolino que elevaría la piedra desde fondo del estanque y la lanzaría hasta su mano, quedando a continuación la superficie en perfecta calma.

Como una película marcha atrás.

Esto no lo prohíben las leyes de la física, pero es extraordinariamente improbable. La razón está en el segundo principio de la termodinámica: los procesos siempre van de menor a mayor entropía.

Y el estado de la piedra en nuestra mano y el estanque en calma tiene mucha menos entropía que la piedra en el fondo del estanque y el agua ligeramente calentada por el impacto de la piedra.

Si nos muestran una instantánea de unas ondas circulares en la superficie de un estanque, las relacionaremos (diremos que “han sido causadas”) con algún estado de menor entropía (por ejemplo, la caída de un objeto). Lo contrario (una fluctuación aleatoria del agua) es altamente improbable.

Por tanto situaremos la causa en el pasado, en el reino de la baja entropía. Esta es la razón por la que hablamos de causas y efectos, donde las primeras anteceden a los segundos.

Y es la razón también por la que se forman registros y memorias del pasado. Si la piedra cae en barro en vez de en agua, las ondas generadas se quedan “congeladas”, ofreciendo un registro de la “causa” que las produjo, que, como hemos dicho, es siempre un evento en el pasado.

El mundo está lleno de huellas del pasado de este tipo: los cráteres de la Luna, los fósiles, las construcciones humanas, etc. Por el mismo motivo relacionamos los registros de nuestro cerebro (nuestras memorias) con hechos del pasado que los han “causado”.

Y esto es lo que produce la sensación psicológica de que viajamos del pasado al futuro: del pasado (baja entropía) poseemos abundantes registros y memorias, mientras que el futuro (alta entropía) es incierto. La percepción es que el pasado “ya ocurrió”, pero el futuro “aún no lo ha hecho”, aunque las leyes de la física no proporcionen exactamente esta interpretación.

– La naturaleza del tiempo

Aunque la mayoría de los físicos estarían de acuerdo con lo dicho anteriormente, lo cierto es que aún no conocemos la naturaleza del tiempo en toda su profundidad. Y no lo haremos hasta que se concilie la teoría de la relatividad general con la mecánica cuántica, los dos pilares de la física moderna.

De momento, podemos disfrutar con la idea de que el paso del tiempo (deseado o no) es solo una ilusión.

– Físicos cuánticos hallan pruebas del «tiempo negativo»

Científicos saben desde hace tiempo que a veces la luz parece salir de un material antes de entrar en él, un efecto que se considera una ilusión causada por la forma en que la materia distorsiona las ondas. 

Ahora, investigadores de la Universidad de Toronto afirman haber demostrado, mediante innovadores experimentos cuánticos, que el «tiempo negativo» no es solo una idea teórica, sino que existe en un sentido físico tangible que merece un examen más detenido.

Los hallazgos, que aún no se han publicado en una revista revisada por pares, han atraído tanto la atención mundial como escepticismo. 

Los investigadores enfatizan que estos resultados desconcertantes resaltan una peculiaridad de la mecánica cuántica y no un cambio radical en nuestra comprensión del tiempo. 

«Es difícil, incluso para nosotros, hablar de esto con otros físicos. Nos malinterpretan todo el tiempo», afirma Aephraim Steinberg, profesor de la Universidad de Toronto especializado en física cuántica experimental.

– Misterios de la física cuántica

Aunque el término «tiempo negativo» puede parecer un concepto sacado de la ciencia ficción, Steinberg defiende su uso con la esperanza de que provoque debates más profundos sobre los misterios de la física cuántica.

Hace años, el equipo comenzó a explorar las interacciones entre la luz y la materia. 

Cuando las partículas de luz, o fotones, atraviesan los átomos, algunos son absorbidos por ellos y posteriormente reemitidos. Esta interacción modifica los átomos, colocándolos temporalmente en un estado de mayor energía o «excitados» antes de volver a la normalidad. 

En una investigación dirigida por Daniela Angulo, el equipo se propuso medir cuánto tiempo permanecían estos átomos en su estado de excitación. «Ese tiempo resultó ser negativo», explicó Steinberg, es decir, una duración inferior a cero.

Para visualizar este concepto, imaginemos autos entrando en un túnel: antes del experimento, los físicos vieron que, si bien el tiempo promedio de entrada para mil coches podría ser, por ejemplo, al mediodía, los primeros autos podrían salir un poco antes, digamos a las 11:59 de la mañana. Antes, ese resultado se había descartado como insignificante.

Lo que Angulo y sus colegas demostraron fue similar a medir los niveles de monóxido de carbono en el túnel tras la salida de los primeros autos y comprobar que las lecturas tenían un signo de menos delante. 

Los experimentos tardaron más de dos años en optimizarse. Los láseres utilizados tuvieron que ser calibrados cuidadosamente para no distorsionar los resultados. 

– Científicos: viajar en el tiempo no es una opción real

Aun así, Steinberg y Angulo se apresuran a aclarar: nadie está afirmando que viajar en el tiempo sea una posibilidad. «No queremos decir que nada haya viajado hacia atrás en el tiempo», afirma Steinberg. «Eso es una mala interpretación». 

La explicación está en la mecánica cuántica, donde partículas como los fotones se comportan de forma difusa y probabilística en lugar de seguir reglas estrictas. 

En lugar de seguir un calendario fijo de absorción y reemisión, estas interacciones se producen a lo largo de un espectro de duraciones posibles, algunas de las cuales desafían la intuición cotidiana. 

Según los investigadores, esto no viola la teoría de la relatividad especial de Einstein, según la cual nada puede viajar más rápido que la luz. Estos fotones no transportaban información, por lo que eludían cualquier límite de velocidad cósmica.  

– Controversia por provocativo titular del artículo

El concepto de «tiempo negativo» ha generado tanto fascinación como escepticismo, sobre todo entre destacados miembros de la comunidad científica. 

La física teórica alemana Sabine Hossenfelder, por ejemplo, criticó el trabajo en un video de YouTube visto por más de 250.000 personas. «El tiempo negativo en este experimento no tiene nada que ver con el paso del tiempo, es sólo una forma de describir cómo viajan los fotones a través de un medio y cómo cambian sus fases», señaló. 

Angulo y Steinberg respondieron argumentando que su investigación aborda lagunas cruciales en la comprensión de por qué la luz no siempre viaja a velocidad constante.

Steinberg reconoció la controversia que rodea al provocativo titular de su artículo, pero señaló que ningún científico serio ha cuestionado los resultados experimentales.

«Hemos elegido la forma que consideramos más fructífera de describir los resultados», afirmó, y añadió que, aunque las aplicaciones prácticas siguen siendo difíciles de alcanzar, los hallazgos abren nuevas vías para explorar los fenómenos cuánticos. 

«Voy a ser sincero: actualmente no tengo un camino desde lo que hemos estado observando hacia sus aplicaciones», admitió. «Vamos a seguir pensando en ello, pero no quiero que la gente se haga ilusiones».

– ¿Y si el tiempo no existiera?

Los avances de la física sugieren que la inexistencia del tiempo es una posibilidad abierta que deberíamos tomar en serio.

¿Cómo puede ser eso y qué significaría? Nos llevará un rato explicarlo, pero no se preocupe: aunque el tiempo no exista, nuestras vidas seguirán como siempre.

– Una crisis en la física

La física está en crisis. Durante el último siglo, más o menos, hemos explicado el universo con dos teorías físicas de gran éxito: la relatividad general y la mecánica cuántica.

La mecánica cuántica describe cómo funcionan las cosas en el mundo increíblemente diminuto de las partículas y las interacciones entre ellas. La relatividad general describe el panorama general de la gravedad y el movimiento de los objetos.

Ambas teorías funcionan muy bien por sí mismas, pero se cree que entran en conflicto. Aunque la naturaleza exacta del conflicto es controvertida, los científicos suelen estar de acuerdo en que ambas teorías deben ser sustituidas por una nueva, más general.

Los físicos quieren elaborar una teoría de la gravedad cuántica que reemplace a la relatividad general y a la mecánica cuántica, pero que recoja el extraordinario éxito de ambas. Dicha teoría explicaría cómo funciona el panorama general de la gravedad a la escala en miniatura de las partículas.

– El tiempo en la gravedad cuántica

Resulta que elaborar una teoría de la gravedad cuántica es extraordinariamente difícil.

Un intento de superar el conflicto entre ambas teorías es la teoría de cuerdas. La teoría de cuerdas sustituye las partículas por cuerdas que vibran hasta en 11 dimensiones.

Sin embargo, la teoría de cuerdas se enfrenta a otra dificultad: ofrecen una serie de modelos que describen un universo muy parecido al nuestro, y en realidad no hacen ninguna predicción clara que pueda ponerse a prueba mediante experimentos para averiguar qué modelo es el correcto.

En las décadas de 1980 y 1990, muchos físicos quedaron insatisfechos con la teoría de cuerdas y propusieron una serie de nuevas aproximaciones matemáticas a la gravedad cuántica.

Uno de los más destacados es la gravedad cuántica de bucles, que propone que el tejido del espacio y el tiempo está formado por una red de trozos discretos extremadamente pequeños, o bucles.

Uno de los aspectos más destacados de la gravedad cuántica de bucles es que parece eliminar el tiempo por completo.

La gravedad cuántica de bucles no es la única que suprime el tiempo: otros enfoques también parecen eliminar el tiempo como aspecto fundamental de la realidad.

– Tiempo emergente

Así que sabemos que necesitamos una nueva teoría física para explicar el universo, y que esta teoría podría no incluir el tiempo.

Supongamos que dicha teoría resulta ser correcta. ¿Se deduce que el tiempo no existe?

Es complicado, y depende de lo que entendamos por existir.

Las teorías de la física no incluyen mesas, sillas ni personas, y sin embargo seguimos aceptando que las mesas, las sillas y las personas existen.

¿Por qué? Porque suponemos que esas cosas existen a un nivel superior al descrito por la física.

Decimos que las mesas, por ejemplo, emergen de una física subyacente de partículas que zumban por el universo.

Pero mientras tenemos una idea bastante clara de cómo una mesa puede estar hecha de partículas fundamentales, no tenemos ni idea de cómo el tiempo puede estar hecho de algo más fundamental.

Así que, a menos que podamos encontrar una buena explicación de cómo el tiempo surge, no está claro que podamos asumir simplemente que el tiempo existe.

El tiempo podría no existir en ningún nivel.

– Tiempo y acción

Decir que el tiempo no existe en ningún nivel es como decir que no hay mesas en absoluto.

Intentar arreglárselas en un mundo sin mesas puede ser difícil, pero arreglárselas en un mundo sin tiempo parece desastroso.

Toda nuestra vida se construye en torno al tiempo. Planificamos el futuro a la luz de lo que sabemos del pasado. Hacemos que las personas sean moralmente responsables de sus acciones pasadas, con la intención de reprenderlas más adelante.

Nos creemos agentes (entidades que pueden hacer cosas) en parte porque podemos planear actuar de forma que se produzcan cambios en el futuro.

Pero ¿qué sentido tiene actuar para provocar un cambio en el futuro cuando, en un sentido muy real, no hay futuro para el que actuar?

El descubrimiento de que el tiempo no existe parecería detener el mundo entero. No tendríamos ninguna razón para salir de la cama.

– Cómo salir del embrollo

Hay una forma de salir del embrollo.

Si bien la física puede eliminar el tiempo, parece dejar intacta la causación: el sentido en que una cosa puede provocar otra.

Tal vez lo que la física nos está diciendo, entonces, es que la causalidad y no el tiempo es la característica básica de nuestro universo.

Si eso es cierto, entonces el cambio aún puede sobrevivir. Porque es posible reconstruir el sentido del cambio completamente en términos causales.

Al menos, eso es lo que sostenemos Kristie Miller, Jonathan Tallant y yo en nuestro nuevo libro. Sugerimos que el descubrimiento de que el tiempo no existe puede no tener un impacto directo en nuestras vidas, aunque impulse a la física hacia una nueva era.

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