¿Cómo podemos retroceder en el tiempo? ¿Puede ir más rápido que la luz? ¿Por qué?
Cómo las opiniones de las personas sobre la naturaleza del tiempo han cambiado con el tiempo. Hasta principios de este siglo, la gente creía en el tiempo absoluto. Es decir, cada evento se puede marcar de forma única con un número llamado "tiempo", y todos los buenos relojes son consistentes al medir el intervalo de tiempo entre dos eventos. Sin embargo, el descubrimiento de que la velocidad de la luz permanece constante para cualquier observador en movimiento condujo a la teoría de la relatividad, en la que había que abandonar la idea de que existía un tiempo absoluto único. En cambio, cada observador lleva un reloj que registra su propia medida del tiempo; los relojes llevados por diferentes observadores no necesariamente marcan lo mismo. De esta manera, el tiempo se convierte en un concepto más subjetivo para el observador que realiza la medición.
Cuando la gente intenta unificar la gravedad y la mecánica cuántica, deben introducir el concepto de tiempo "virtual". El tiempo virtual y la dirección espacial son inseparables. Si una persona puede ir al norte, puede dar la vuelta e ir al sur; de manera similar, si una persona puede avanzar a su antojo, también debería poder dar la vuelta y regresar. Esto sugiere que no puede haber una diferencia importante entre avanzar y retroceder en el tiempo virtual. Por otro lado, cuando se mira el tiempo "real", se sabe que hay una enorme diferencia en las direcciones hacia adelante y hacia atrás. ¿De dónde viene la diferencia entre pasado y futuro? ¿Por qué recordamos el pasado pero no el futuro?
Las leyes de la ciencia no distinguen entre el pasado y el futuro. Más precisamente, como se mencionó anteriormente, las leyes de la ciencia permanecen sin cambios bajo la acción conjunta (o simetría) llamada C, P y t, (C) significa reemplazar la partícula con una antipartícula p significa tomar una imagen especular, de modo que la partícula se reemplace con una antipartícula; izquierda y derecha se intercambian; t significa invertir la dirección del movimiento de todas las partículas, es decir, invertir el movimiento. En todas las circunstancias normales, las leyes científicas que gobiernan el comportamiento de los objetos son invariantes bajo simetría conjunta CP. En otras palabras, la vida sería exactamente igual para los habitantes de otros planetas si fueran imágenes especulares de nosotros y estuvieran hechos de antimateria en lugar de materia.
Si las leyes de la ciencia son invariantes bajo simetría de articulación CP y simetría de articulación CPT, entonces también deben ser invariantes bajo simetría de T separada. Pero en el tiempo real de la vida diaria, todavía hay una gran diferencia entre las direcciones hacia adelante y hacia atrás. Imagínese un vaso de agua que cae de la mesa al suelo y se hace añicos. Si lo grabas, podrás saber fácilmente si avanza o retrocede. Si lo vuelves a verter, verás que las piezas se juntan de repente y abandonan el suelo, saltando de nuevo a la mesa para formar una taza completa. Se nota que el vídeo se reproduce al revés porque este comportamiento nunca ocurre en la vida diaria. Si esto sucede, a la industria cerámica no le quedará negocio.
¿Por qué nunca vemos los vasos rotos juntarse, despegar del suelo y saltar de nuevo a la mesa? La explicación habitual es que esto viola la segunda ley de la termodinámica, que establece que en cualquier sistema cerrado, el desorden o la entropía siempre aumentan con el tiempo. En otras palabras, es una forma de la Ley de Murphy: las cosas tienden a empeorar: una taza llena sobre la mesa está en un estado muy ordenado, mientras que una taza rota en el suelo está en un estado desordenado. Es fácil pasar de una taza sobre la mesa a una taza rota en el suelo, y no al revés.
El aumento del desorden o entropía a lo largo del tiempo es un ejemplo de la llamada flecha del tiempo. La flecha del tiempo distingue el pasado del futuro y le da una dirección al tiempo. Hay al menos tres flechas del tiempo diferentes: la primera es la flecha del tiempo termodinámica, en la que aumenta el desorden o la entropía; la segunda es la flecha del tiempo psicológica, que es la dirección en la que experimentamos el paso del tiempo, en la que; dirección en la que es posible recordar el pasado en lugar del futuro; y finalmente, está la flecha cosmológica del tiempo, donde el universo se expande, no se contrae.
En este capítulo, argumentaré que el estado ilimitado del universo y el principio antrópico débil pueden explicar por qué las tres flechas apuntan todas en la misma dirección. Además, ¿por qué debe haber una flecha temporal clara? Mostraré que la flecha psicológica está determinada por la flecha termodinámica, y ambas flechas deben apuntar siempre en la misma dirección. Si se supone que el universo no tiene condiciones límite, vemos que debe haber flechas del tiempo termodinámicas y cosmológicas bien definidas. Pero a lo largo de toda la historia del universo, no siempre han apuntado en la misma dirección. Sin embargo, quisiera señalar que sólo si apuntan en la misma dirección pueden existir las condiciones adecuadas para el desarrollo de la vida inteligente para preguntar por qué el desorden aumenta en la dirección temporal de la expansión del universo.
Primero quiero hablar de la flecha termodinámica del tiempo. El hecho de que siempre haya muchos más estados desordenados que ordenados es la razón por la que existe la segunda ley de la termodinámica. Por ejemplo, considere una caja de piezas de un rompecabezas. Sólo hay una manera de organizar estos trozos de papel en una imagen completa. Por otro lado, hay mucha disposición, cuando los pequeños trozos de papel están desorganizados y no se pueden juntar para formar un cuadro.
Supongamos que un sistema parte de uno de estos estados ordenados. Con el paso del tiempo, este sistema evolucionará según leyes científicas y su estado cambiará. Posteriormente, debido a que hay más estados desordenados, la posibilidad de estar en un estado desordenado es mayor que la de estar en un estado ordenado. Así, si un sistema obedece a una condición inicial muy ordenada, el grado de desorden aumentará con el tiempo.
Supongamos que las piezas de papel en la caja del rompecabezas parten de una combinación ordenada que se puede ordenar para formar una imagen. Si agitas la caja, los trozos de papel formarán otras combinaciones, posiblemente combinaciones desordenadas que no formarán una imagen adecuada porque hay demasiadas combinaciones desordenadas. Es posible que algunas de las piezas aún formen algunas imágenes, pero cuanto más agite la caja, más probabilidades habrá de que se separen y las piezas quedarán en un estado de completo desorden en el que no podrán formar ningún tipo de imagen. Por tanto, si el artículo parte de condiciones iniciales en un estado muy ordenado, es probable que el desorden del artículo aumente con el tiempo.
Sin embargo, si Dios decidió que el universo debe terminar en un estado altamente ordenado sin importar en qué estado comenzó, entonces el universo podría haber estado en un estado desordenado en sus primeras etapas. Esto significa que el nivel de desorden disminuye con el tiempo. Verás que los vasos rotos se juntan y saltan de nuevo a la mesa. Sin embargo, cualquiera que observe la copa vive en un universo con un desorden decreciente con el tiempo, y yo concluiría que esa persona tendría una flecha mental del tiempo hacia atrás. Es decir, recuerdan eventos futuros en lugar de eventos pasados. Cuando la taza se rompe, recuerdan que estuvo sobre la mesa; pero cuando está sobre la mesa, no recuerdan que estuvo en el suelo.
Hablar de la memoria humana es difícil porque no conocemos los detalles de cómo funciona el cerebro. Sin embargo, sí sabemos cómo funciona la memoria de una computadora. Entonces, voy a hablar sobre la flecha mental del tiempo de la computadora. Creo que es razonable suponer que las computadoras y los humanos matan dos pájaros de un tiro. De lo contrario, la gente podría colapsar la bolsa porque tiene una computadora para recordar los precios del próximo año.
En general, la memoria de una computadora es un dispositivo que contiene elementos que pueden existir en cualquiera de dos estados, siendo un ejemplo sencillo un ábaco. En su forma más simple, consta de varias barras de hierro; cada barra sostiene un rosario que puede descansar en una de dos posiciones. Antes de que se almacene la memoria de la computadora, su memoria está desordenada y el rosario tiene dos estados posibles. Las cuentas del ábaco estaban esparcidas al azar sobre las barras de hierro del ábaco. Después de que la memoria interactúa con el sistema a recordar, debe estar en un estado u otro según el estado del sistema (cada cuenta de ábaco estará en el lado izquierdo o derecho de la barra de hierro). pasa de un estado desordenado a un estado ordenado. Pero para mantener la memoria en el estado correcto, necesita usar una cierta cantidad de energía (como mover cuentas de ábaco o encender una computadora). Esta energía se disipa en forma de calor, aumentando el desorden del universo. Se puede demostrar que este incremento desordenado es siempre mayor que el incremento ordenado de la propia memoria. De esta manera, el calor descargado por el ventilador de refrigeración de la computadora muestra que la cantidad total de desorden en el universo sigue aumentando a medida que la computadora registra un elemento en su memoria. La dirección en la que las computadoras recuerdan el pasado coincide con la dirección del creciente desorden.
Así que nuestro sentido subjetivo de la dirección del tiempo, o la flecha psicológica del tiempo, está determinado por la flecha termodinámica del tiempo en nuestras mentes. Al igual que las computadoras, tenemos que recordar las cosas en orden de entropía creciente. Esto casi convierte las leyes de la termodinámica en algo aburrido. El desorden aumenta con el tiempo porque medimos el tiempo en la dirección del desorden creciente. Apuesta por esto y ganarás.
Pero ¿por qué debe existir una flecha termodinámica del tiempo? O dicho de otra manera, ¿por qué el universo se encontraba en un estado altamente ordenado al final de lo que llamamos tiempo pasado? ¿Por qué no funciona completamente todo el tiempo? Después de todo, parece más probable. ¿Y por qué la dirección desordenada del tiempo aumenta en la misma dirección que la expansión del universo?
En la teoría clásica de la relatividad general, es imposible predecir cómo comenzó el universo porque todas las leyes científicas conocidas fallan en la singularidad del Big Bang.
El universo puede partir de un estado muy suave y ordenado. Esto conduciría a la flecha del tiempo termodinámica y cosmológica bien definida que observamos. Sin embargo, también podría razonablemente comenzar desde un estado de desorden muy entrecortado. En ese caso, el universo ya se encuentra en un estado de completo desorden, por lo que el grado de desorden no aumenta con el tiempo. O permanece igual y entonces no hay una flecha termodinámica del tiempo bien definida, o disminuye y entonces la flecha termodinámica del tiempo se vuelve opuesta a la flecha cosmológica del tiempo. Ninguna de estas posibilidades es consistente con lo que observamos. Sin embargo, como hemos visto, la relatividad general clásica predice su propio colapso. Cuando la curvatura del espacio y el tiempo se hace más grande, los efectos de la gravedad cuántica se vuelven más importantes y la teoría clásica ya no puede describir bien el universo, la gente debe usar la teoría de la gravedad cuántica para comprender cómo comenzó el universo.
Como vimos en el último capítulo, en la teoría de la gravedad cuántica, para especificar el estado del universo, todavía hay que explicar cómo se comportó la posible historia del universo en las fronteras espacio-temporales pasadas. Sólo si estas historias satisfacen la condición de no tener límites se puede evitar la dificultad de tener que describir cosas que no sabemos ni podemos saber: son de escala finita pero no tienen límites, aristas o singularidades. En este caso, el comienzo del tiempo será un punto espacio-temporal regular y suave, y el universo comenzará a expandirse en un estado muy suave y ordenado. No puede ser completamente uniforme, de lo contrario violaría el principio de incertidumbre de la teoría cuántica. Debe haber pequeñas fluctuaciones en la densidad y la velocidad de las partículas, pero la condición de no frontera significa que estas fluctuaciones deben ser lo más pequeñas posible en condiciones consistentes con el principio de incertidumbre.
Al principio del universo, hubo un período exponencial o "inflacionario" durante el cual su tamaño aumentó en múltiplos muy grandes. Durante la expansión, las fluctuaciones de densidad son siempre pequeñas al principio, pero luego empiezan a aumentar. En regiones que son ligeramente más densas que el promedio, el efecto gravitacional de la masa extra frena la expansión. Con el tiempo, esas regiones dejaron de expandirse y colapsaron en galaxias, estrellas y humanos como nosotros. El universo estaba en un estado estable y ordenado al principio, y con el tiempo evolucionó hacia un estado ondulado y desordenado. Esto explica la existencia de la flecha termodinámica del tiempo.
¿Qué pasaría si el universo dejara de expandirse y comenzara a contraerse? ¿Podría invertirse la flecha termodinámica y el desorden comenzaría a disminuir con el tiempo? Esto deja varias posibilidades de ciencia ficción para las personas que viven desde el período de expansión hasta el período de contracción. ¿Verán los pedazos de la taza juntarse, abandonar el suelo y saltar de nuevo a la mesa? ¿Recordarán el precio de mañana y se harán ricos en el mercado de valores? Dado que el universo no comenzará a reducirse hasta dentro de al menos 10 mil millones de años, preocuparse por lo que sucederá entonces parece un poco pedante. Pero hay una forma más rápida de saber qué va a pasar en el futuro y es saltar a un agujero negro. El proceso de colapso de una estrella para formar un agujero negro es bastante similar a las últimas etapas del colapso de todo el universo, por lo que si el desorden en la fase de contracción disminuye en el universo, se puede esperar que disminuya en los agujeros negros; Así, un astronauta que cayera en un agujero negro podría ganar dinero recordando la dirección de la bola en una ruleta antes de realizar una apuesta. Desafortunadamente, no pasará mucho tiempo antes de que se convierta en espagueti. Tampoco puede hacernos saber que las flechas de la termodinámica están al revés, ni siquiera depositar sus ganancias en el banco, porque está atrapado detrás del horizonte de sucesos del agujero negro. )
Al principio, creía que el desorden disminuiría a medida que el universo colapsara. Esto se debe a que creo que cuando el universo se hace más pequeño, debe volver a un estado estable y ordenado. Esto muestra que la fase de contracción es solo una inversión temporal de la fase de expansión. Las personas en sístole vivirían de forma regresiva: morirían antes de nacer y rejuvenecerían a medida que el universo se contrae.
Este concepto es fascinante porque sugiere que existe una hermosa simetría entre las fases de expansión y contracción. Sin embargo, no se pueden ignorar otras ideas sobre el universo y simplemente adoptar ésta. La pregunta es: ¿está implícito en la condición de no límite o es incompatible con esta condición? Como dije, al principio pensé que la condición sin límites en realidad significaba que el desorden disminuiría durante la fase de contracción. Parte de la razón por la que me engañaron fue por la analogía con la superficie de la Tierra. Si se piensa que el comienzo del universo corresponde al Polo Norte, entonces el fin del universo debería parecerse a su comienzo, así como el Polo Sur se parece al Polo Norte. Sin embargo, los polos Norte y Sur corresponden al principio y al final del universo en tiempo virtual. Puede haber una gran diferencia entre dónde comienza y termina el tiempo real. También me engañó mi estudio de un modelo simple del universo en el que la fase de colapso parecía ser una inversión temporal de la fase de expansión.
Sin embargo, uno de mis colegas, Don Page, de la Universidad Estatal de Pensilvania, señaló que la condición de no frontera no requiere que la fase de contracción deba ser una inversión temporal de la fase de expansión. Uno de mis alumnos, Raymond Laffler, descubrió además que en un modelo un poco más complejo, el colapso y la expansión del universo son muy diferentes. Me di cuenta de que había cometido un error: la condición ilimitada significa que a medida que la fase se reduce, el desorden continúa aumentando. Cuando el universo comienza a contraerse o se encuentra en un agujero negro, la flecha del tiempo en termodinámica y psicología no se invierte.
¿Qué debes hacer cuando descubres que has cometido tal error? Algunas personas nunca admiten que están equivocadas, pero continúan encontrando argumentos nuevos, a menudo inconsistentes, para defenderse, como lo hizo Eddington cuando argumentó contra la teoría del agujero negro. Otros afirman, en primer lugar, que en realidad nunca apoyan una visión incorrecta y, si lo hacen, es sólo para demostrar que es discordante. En mi opinión, sería mucho mejor y causaría menos confusión si admitieras en tu publicación que estabas equivocado. Einstein es un buen ejemplo. Introdujo la constante cosmológica mientras intentaba modelar un universo estático, lo que calificó como el mayor error de su vida.
Volviendo a la flecha del tiempo, la pregunta que queda es; ¿por qué observamos que las flechas de la termodinámica y la cosmología apuntan en la misma dirección? O en otras palabras, ¿por qué la dirección temporal del aumento del desorden es exactamente la dirección temporal de la expansión del universo? Si uno cree que el universo se expandió y luego se contrajo, como parece sugerir la hipótesis de la ausencia de límites, entonces surge la pregunta de por qué estamos en una fase de expansión en lugar de una fase de contracción.
Se puede responder a esta pregunta basándose en el principio antrópico débil. Las condiciones de la fase de contracción no son adecuadas para la existencia de humanos inteligentes, pero son ellos quienes pueden preguntarse por qué la dirección temporal del desorden creciente es la misma que la dirección temporal de la expansión del universo. La explosión del universo predicha por la primera hipótesis sin límites significa que el universo debe expandirse muy cerca de la tasa crítica requerida para evitar el colapso, de modo que no colapse durante mucho tiempo. Para entonces, todas las estrellas se habrán quemado y sus protones y neutrones se habrán desintegrado en partículas de luz y radiación. El universo estaría en un estado de desorden casi completo, sin una fuerte flecha termodinámica del tiempo. Dado que el universo ya se encuentra en un estado de desorden casi total, el grado de desorden no aumentará mucho. Sin embargo, se necesita una fuerte flecha termodinámica para el comportamiento de la vida inteligente. Para sobrevivir, los humanos deben consumir la forma ordenada de energía (los alimentos) y convertirla en la forma desordenada de energía (el calor), por lo que la vida inteligente no puede existir en la fase de contracción del universo. Esto explica por qué observamos que las flechas del tiempo en termodinámica y cosmología apuntan en la misma dirección. No es la expansión del universo lo que conduce a un aumento del desorden, sino el aumento del desorden debido a condiciones sin límites. Sólo durante la etapa de expansión habrá condiciones adecuadas para la existencia de vida inteligente.
En resumen, las leyes científicas no pueden distinguir la dirección del tiempo hacia adelante y hacia atrás. Sin embargo, hay al menos tres flechas del tiempo que distinguen el pasado del futuro. Son la flecha termodinámica, la dirección del tiempo en la que aumenta el desorden; la flecha psicológica, la dirección en el tiempo en la que recordamos el pasado en lugar del futuro y la flecha cósmica, la dirección en la que el universo se expande en lugar de contraerse. Señalé que la flecha psicológica debería ser esencialmente la misma que la flecha termodinámica. La hipótesis del universo sin límites predice una flecha termodinámica del tiempo bien definida, ya que el universo debe haber comenzado desde un estado suave y ordenado. Y podemos ver que la consistencia de la flecha termodinámica y la flecha cosmológica se debe a que la vida inteligente sólo puede existir en la fase de expansión. La fase de contracción no es adecuada para su existencia porque no existe una fuerte flecha termodinámica del tiempo.
La humanidad comprende el progreso del universo creando un pequeño y ordenado rincón de un universo de creciente desorden. Si memorizaras cada palabra de este libro, tu memoria registraría aproximadamente 2 millones de unidades de información; la secuencia en tu mente aumentaría en aproximadamente 2 millones de unidades. Pero cuando leas este libro, convertirás al menos 1 kilocaloría de energía ordenada en forma de alimento, a través de la convección y el sudor, en energía desordenada en forma de calor que se libera al aire circundante. Esto aumenta el desorden del universo en aproximadamente 2 mil millones de unidades, o aproximadamente 100 millones de veces la cantidad de orden en tu cabeza, si recuerdas todo lo que se dice en este libro. En el próximo capítulo intento añadir algo de orden a nuestras mentes y explicar cómo se podrían combinar algunas de las teorías que he descrito para formar una teoría unificada completa que se aplicaría a todo en el universo.