La flecha del tiempo

(En inglés: The arrow of time)

En el pasado post dijimos, homenajeando a Aristóteles, que el tiempo va de medir el cambio. ¿Pero qué es el cambio?

Niveles de entropía en una mezcla de dos líquidos a lo largo del tiempo.

Niveles de entropía en una mezcla de dos líquidos. Arriba, estado de menor entropía, anterior en el tiempo (y menos probable). Abajo, estado de mayor entropía, posterior en el tiempo (y más probable).

Bueno, pues es esencialmente la entropía. En realidad, tiempo y entropía están estrechamente relacionados, tanto que según algunos son esencialmente dos aspectos o avatares de la misma realidad. Las Internetes están llenas de definiciones de la entropía (mira aquí o aquí o aquí para empezar, o esto, o esto, o esto, o esto o incluso esto) así que yo no añadiré otra más. Tan solo diré aquello tan viejo de que la entropía es esa “potencia invencible” que empuja al universo hacia el máximo equilibrio. En palabras de Boltzmann, hacia el máximo desorden, el caos total. Esto es lo que viene a decir el Segundo Principio de la Termodinámica, y tú ya sabes que en esta casa obedecemos las Leyes de la Termodinámica, como dijo Homer Simpson.

No ocurre simultáneamente en todo momento y lugar. Y tampoco, necesariamente, en sistemas abiertos. A nivel global, la entropía siempre aumenta. Pero a nivel local puede reducirse durante un tiempo, a cambio de crecer en el sistema aislado global que llamamos universo. Jugando entre la entropía local y la entropía global, el niño tiempo construye mundos y los destruye, impidiéndote de paso mantener limpia tu cocina, pero dejándote limpiarla. También empuja la evolución, tanto estelar, como biológica, como todas las demás, y te da la vida y te la quita. Lo que hay. Sin embargo, en último término, la entropía jamás deja de crecer.

Simetría y violación-P

En partículas elementales, la paridad puede definirse como la dirección hacia la que emiten sus partículas de desintegración. En la imagen superior, un muón emite típicamente un electrón hacia su derecha. El anti-muón, su “imagen en el espejo”, lo hace hacia la izquierda. Decimos que hay simetría-P. Sin embargo, de vez en cuando el anti-muón emite el electrón hacia la derecha, como en la imagen inferior. Entonces decimos que hay violación de la simetría-P. Imagen: Departamento de Física, Universidad de Oregón.

Otra característica muy curiosa de la entropía es que es la única cantidad conocida por no respetar la simetría temporal. Resulta que en este universo hay una cosa a la que llamamos simetría CPT, por Carga-Paridad-Tiempo. Dicho muy a lo burdo, esto significa que las leyes físicas funcionan igual en todas direcciones. Un pelín más rigurosamente, que les da igual si se invierte la configuración espacial (P), si la materia implicada es en realidad antimateria (C) o si el tiempo corre hacia el futuro o hacia el pasado (T). Vamos, que un universo de antimateria invertido como en un espejo donde el tiempo fuese hacia atrás (es decir, con momento inverso) funcionaría exactamente igual que este.

Durante un tiempo se creyó que esta simetría CPT era una clave esencial de nuestra realidad. Hoy sabemos que no es así del todo. Hay algunos fenómenos que la violan. Por ejemplo, la interacción débil –una de las cuatro fuerzas fundamentales– no es simétrica en el tiempo. No le da igual si el tiempo corre hacia el futuro o hacia el pasado. Bien, pues a la entropía tampoco. Precisamente porque no puede dejar de crecer, la entropía sólo funciona hacia adelante.

Por ejemplo, si tú dejas que se fugue el gas de una bombona de butano, éste se dispersa y no vuelve a la misma espontáneamente. El calor siempre fluye de los objetos calientes a los objetos fríos, jamás al revés. Nacemos, envejecemos y morimos, por ese orden. El universo se expande, no se contrae. Con los huevos se pueden hacer tortillas, pero de las tortillas no surgen huevos. Y así siempre, siempre hacia adelante. La entropía no es simétrica en el tiempo. O sea, que es irreversible.

Esta irreversibilidad de la entropía es lo que conocemos como flecha del tiempo. Nuestro universo, empujado por el todopoderoso Segundo Principio de la Termodinámica, cambia constantemente a lo largo de la dimensión tiempo, y sólo hacia el futuro. Con mis condolencias a conservadores y nostálgicos, no existe manera alguna de impedir que el universo cambie sin parar o de intentar que vuelva al pasado. Esa es una batalla perdida a nivel cósmico, no te imaginas hasta qué extremo.

Cronología CMB del universo / sonda WMAP (NASA)

Una representación de la evolución universal a lo largo de los últimos 13.770 millones de años. El lado izquierdo muestra el momento más antiguo que podemos estudiar en estos momentos, cuando una fase inflacionaria produjo un crecimiento exponencial rápido del universo. Durante los siguientes miles de millones de años, la expansión del universo se deceleró significativamente debido a que la materia tiende a colapsar sobre sí misma por efecto de la gravedad. Más recientemente, la expansión del universo ha comenzado a acelerarse de nuevo porque los efectos repulsivos de la energía oscura han pasado a dominar este fenómeno. En esta imagen, la flecha del tiempo avanza de izquierda a derecha. Fuente: NASA / WMAP Science Team

Lo más curioso es que esta irreversibilidad no obedece a ninguna ley física en particular. Hasta donde sabemos, se debe únicamente a una peculiaridad cosmológica del universo inicial: su entropía fue muy baja, próxima a cero. Tan pequeña era que sólo podía crecer. No otra cosa disparó una flecha del tiempo tan nítida como la que experimentamos, que sigue su curso y seguirá haciéndolo hasta la muerte térmica o por ahí.

Ignoramos todavía por qué la entropía inicial fue tan sumamente baja, suponiendo que haya algún motivo y no sea mero fruto del azar. El hecho es que el universo nació con un severo déficit de entropía y anhelando darse un atracón. Si tienes alguna idea al respecto que no sea una mamarrachada, hay una medalla de oro con el retrato de Alfredito el Dinamitero buscando tu cuello. O dos.

El caso es que la flecha del tiempo únicamente corre hacia adelante, es decir, hacia el futuro. O sea, que sólo podemos viajar hacia el futuro, y de hecho lo hacemos constantemente, cada instante de nuestras vidas. El viaje de vuelta al pasado está cosmológicamente prohibido por el Segundo Principio de la Termodinámica y su hija la flecha del tiempo. Nada, ni materia, ni energía ni información puede retroceder a lo largo de la dimensión tiempo. Lo siento también por los videntes y demás seres humanos que se creen capaces de visualizar el porvenir al margen de las leyes físicas. La capacidad de predecir el futuro implicaría que hay información del futuro viajando hacia el pasado (nuestro presente) para llegarles a ellos personalmente. Esto, además de ser una tontada, está terminantemente prohibido por esa potencia elemental que es la entropía y su irreversibilidad.

Un universo donde tal cosa fuera posible sería como un reloj roto. No funcionaría. No, al menos, de la manera como lo hace. Para empezar, las causas no precederían a los efectos y los efectos no seguirían a las causas. Porque es precisamente la asimetría temporal, la irreversibilidad de la entropía, el cambio y la flecha del tiempo lo que da lugar a ese otro portento que conocemos como causalidad.

Próxima semana: Causalidad
Next week: Causality

19. February 2014 by tonicanto
Categories: Blog (Sólo Español), Yuri | Tags: , , , | 3 comments

Comments (3)

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