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¿Por qué el tiempo avanza en lugar de retroceder, de todos modos?

octubre 14, 2021

Caroline Purser / Getty Images

¿Qué es la flecha del tiempo y por qué ha desconcertado a los físicos durante casi un siglo?

La flecha del tiempo puede explicarse de manera bastante simple como la observación de que recordamos el pasado y no el futuro. Tenemos acceso a libros de historia y todos los demás tipos de registros sobre lo que nos ha precedido, pero no esa información procedente de la otra dirección.

Ahora, esto puede parecer simplista, pero aquí hay un enigma. Las leyes de la física son simétricas, lo que significa que funcionan independientemente de la dirección en la que te muevas en el tiempo. Por ejemplo, imagine que vio una película en la que un huevo se cae de una mesa y se rompe en el suelo. Si viste esa misma película en rebobinado con todas las grietas y pedazos del huevo roto reorganizándose pulcramente, y esa energía de reforma obligando al huevo a saltar sobre la mesa, eso además obedece las leyes de la física.

Entonces ahora tenemos una pregunta. ¿Por qué dondequiera que miremos, siempre vemos el primer escenario y nunca el segundo?

¿Tenemos alguna explicación plausible?

Hay muchas explicaciones diferentes, y la mayoría de ellas giran en torno a la idea de que la flecha del tiempo se genera básicamente por un aumento de entropía. La entropía, hablando de manera muy aproximada, es una medida de cuán confuso y desordenado está un sistema. Y entropía no es simétrico. A esto se le llama la segunda ley de la termodinámica: sabemos que, a largo plazo, cualquier sistema lo suficientemente grande siempre aumentará en entropía, pasará de un estado ordenado a un estado menos ordenado.

Imagina que viertes un salero hasta la mitad con sal y luego lo llenas con pimienta. Al principio se vería ordenado en capas; pero cada vez que lo movía o lo agitaba, la sal y la pimienta se mezclaban y desordenaban cada vez más. Eso es entropía. Y debido a que es un proceso unidireccional, muchos físicos han planteado la hipótesis de que de alguna manera dicta la dirección en la que apunta la flecha del tiempo.

Pero estas explicaciones tienen dos problemas serios. La primera es que la entropía tiene un límite superior, su salero y pimentero solo puede ser tan aleatorio, hasta que agitarlo no lo convierte en nada. más desordenado. En segundo lugar, para ver un aumento en la entropía (y así generar esta flecha de tiempo) necesitaría una configuración inicial especial donde la sal y la pimienta fueron organizados para empezar con. Si miramos nuestro propio universo, esto clama por una explicación: un estado inicial altamente organizado es una configuración aleatoria muy, muy improbable.

Creó un modelo que muestra que realmente puede eludir estos problemas al observar una propiedad llamada complejidad. ¿Puedes explicar eso?

Hicimos un modelo que es una aproximación del universo a gran escala, donde la gravedad es la fuerza dominante y el universo está lleno de partículas. Tenga en cuenta que es una aproximación simplificada. Por ejemplo, no incluimos ninguna de las otras fuerzas, ni nada como ondas gravitacionales o materia oscura.

Ahora bien, la razón por la que no necesitamos ninguna condición inicial especial para generar una flecha del tiempo es complicada, pero se basa en el hecho de que la gravedad, a diferencia de todas las demás fuerzas, atrae universalmente. (Si bien las fuerzas fuertes y débiles y el electromagnetismo pueden empujar o tirar de diferentes tipos de partículas, la gravedad solo atrae). Esto es importante. Porque si bien la combinación de atracción y repulsión creará inevitablemente una especie de equilibrio caótico, la atracción constante de la gravedad continuará crecer una especie de estructura de la que podemos derivar una flecha del tiempo.

Lo que esto significa desde la perspectiva de nuestro modelo es que, dada cualquier cantidad inicial aleatoria de partículas, a medida que la gravedad comienza a tirar, el universo se fragmenta en grupos que se vuelven cada vez más densos; nuestro modelo coaguló en estos pequeños subsistemas. Si te ayuda, puedes pensar en ellos como cúmulos globulares de estrellas. grupos de mangueras porque desarrollaron su propia rotación definida, energía e información recopilada de momento sobre el resto del modelo. Codificaron datos sobre cómo se veía la estructura pasada del modelo a través de sus diversas propiedades, algo análogo a un libro de historia. En otras palabras, señalaron una dirección en el tiempo.

Retroceda por un segundo. Si solo miramos la gravedad, ¿por qué su modelo no se derrumbó sobre sí mismo?

Ese es un punto interesante. Sabemos que cuando miras el universo como un todo, se está expandiendo. Hemos implementado esta expansión en nuestro modelo diciendo que la relación entre la distancia más grande y la más pequeña entre las partículas aumenta constantemente.

Esto fue clave, porque en este sistema en expansión donde la gravedad domina, inmediatamente ves que sucede algo muy interesante. La complejidad del universo (y usamos la complejidad ‘como una cantidad física precisa para describir cuán agrupado está nuestro modelo) crece sin fin. Descubrimos que puede crear un modelo en el que la complejidad del sistema aumenta sin límites, independientemente de la posición inicial que ingrese.

Pero, ¿qué pasa con todos los demás fenómenos físicos que no están relacionados con la gravedad? ¿Por qué siempre vemos a los que se mueven de una manera en el tiempo?

De hecho, estamos trabajando en eso ahora mismo, y trataré de simplificar nuestras primeras conclusiones. Un gran ejemplo es que si miras un átomo en descomposición, siempre encuentras que se descompone en un átomo más liviano, nunca más pesado. Eso sigue una flecha del tiempo y aparentemente no tiene nada que ver con la gravedad, ¿verdad? No exactamente. Tienes que darte cuenta, para ese átomo, algo tenía que ponerlo en un estado inicial especial donde estaba capaz decaer.

Todavía no hemos descrito tal átomo. Pero tenemos un modelo en el que el universo primitivo, cuando la gravedad era la fuerza dominante, genera estados iniciales muy atípicos. Y a medida que el universo se expandía y la gravedad dejaba de ser la fuerza dominante para pequeños subsistemas como el átomo, las apuestas iniciales de alguna manera obligaron a todas las demás flechas del tiempo a marchar al paso.

Entonces, ¿me estás diciendo que es posible que el universo primitivo tuviera múltiples flechas de tiempo, moviéndose en diferentes direcciones?

Si es posible. En realidad, llamamos a este proceso hilogénesis a la idea de que en algún momento del universo temprano las diferentes flechas del tiempo estaban todas desordenadas. Pero debido a que la gravedad era la fuerza dominante, finalmente los empujó a todos a apuntar en la misma dirección. Antes de ese punto, no había espacio-tiempo en el sentido en que lo experimentamos actualmente.

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