Por qué el tiempo va hacia delante y no hacia atrás

Cuando Isaac Newton publicó su famosa obra Principia en 1687, sus tres elegantes leyes del movimiento resolvieron muchos problemas.

Sin ellas, no podríamos haber llevado gente a la Luna 282 años después.

Pero estas leyes trajeron a la física un nuevo problema, que no se apreció completamente hasta siglos después de Newton y que todavía molestan a los cosmólogos de hoy.

El problema es que las leyes de Newton funcionan el doble de bien de lo que podríamos esperar.

Describen el mundo por el que nos movemos todos los días: el mundo de las personas, las manecillas que se mueven alrededor de un reloj e incluso la caída apócrifa de ciertas manzanas.

Pero también dan cuenta perfectamente de un mundo en el que las personas caminan hacia atrás, los relojes marcan de la tarde a la mañana, y la fruta se eleva desde la tierra hasta la rama del árbol.

"La característica interesante de las leyes de Newton, que no se apreció hasta mucho después, es que no distinguen entre el pasado y el futuro", dice el físico teórico y filósofo Sean Carroll, quien analiza la naturaleza del tiempo en su última obra "Las ideas más grandes del universo".

"Pero la direccionalidad del tiempo es su característica más obvia, ¿verdad? Tengo fotografías del pasado, no tengo fotografías del futuro".

El problema no se limita a las teorías centenarias de Newton.

Prácticamente todas las teorías fundamentales de la física desde entonces han funcionado tan bien hacia adelante como hacia atrás, dice el físico Carlo Rovelli del Centro de Física Teórica en Marsella, Francia, y autor de libros que incluyen "El orden del tiempo".

"A partir de Newton, la teoría del electromagnetismo de Maxwell, el trabajo de Einstein y la mecánica cuántica, la teoría cuántica de campos, la relatividad general e incluso la gravedad cuántica, no tienen distinción entre el pasado y el futuro", dice Rovelli.

"Lo que fue una sorpresa, porque la distinción es muy evidente para todos nosotros. Si haces una película, es obvio cuál es el futuro y cuál el pasado".

¿Cómo estas descripciones del Universo tienen sentido del tiempo si carecen de su propia flecha indicativa de dirección?

Como dice Marina Cortês, astrofísica de la Universidad de Lisboa: "Hay muchas implicaciones que comienzan con tomarse en serio la pregunta, '¿Por qué pasa el tiempo?'".

Parte de la respuesta se encuentra en el Big Bang, sucedido hace casi 14.000 millones de años.

Otra percepción proviene del extremo opuesto, en la eventual muerte del Universo.

Pero antes de embarcarse en este viaje épico de ida y vuelta a lo largo de la línea de tiempo del Universo, vale la pena detenerse en 1865, justo cuando la primera ley de la física verdaderamente direccional en el tiempo aparecía al mismo tiempo que se daba la Revolución Industrial.

Juntando vapor

En el siglo XIX, cuando el carbón se metía en los hornos para generar energía de vapor, los científicos e ingenieros que esperaban desarrollar mejores motores adoptaron un conjunto de principios que describían la relación entre el calor, la energía y el movimiento.

Se conocieron como las leyes de la termodinámica.

En Alemania, en 1865, el físico Rudolf Clausius afirmó que el calor no puede pasar de un cuerpo frío a uno caliente, si nada cambia a su alrededor.

Clausius ideó el concepto que llamó "entropía" para medir este comportamiento del calor; otra forma de decir que el calor nunca fluye de un cuerpo frío a uno caliente es decir "la entropía solo aumenta, nunca disminuye".

Como destaca Rovelli en "El orden del tiempo", esta es la única ley básica de la física que puede distinguir el pasado del futuro.

Una pelota puede rodar cuesta abajo o ser pateada de regreso a su cumbre, pero el calor no puede fluir de lo frío a lo caliente.

Para ilustrar, Rovelli toma su pluma y la deja caer de una mano a la otra.

"La razón por la que esto se detiene en mi mano es porque tiene algo de energía, y luego la energía se convierte en calor y calienta mi mano. Y la fricción detiene el rebote. De lo contrario, si no hubiera calor, esto rebotaría para siempre y no distinguiría el pasado del futuro".

Hasta ahora, es sencillo. Es decir, hasta que empieces a considerar qué es el calor a nivel molecular.

La diferencia entre las cosas calientes y las cosas frías es cuán agitadas están sus moléculas: en una máquina de vapor caliente, las moléculas de agua están muy excitadas, dando vueltas y chocando entre sí rápidamente.

Las mismas moléculas de agua están menos agitadas cuando se unen como condensación en el cristal de una ventana.

Aquí está el problema: cuando te acercas al nivel de, digamos, una molécula de agua chocando y rebotando en otra, la flecha del tiempo desaparece.

Si viera un video microscópico de esa colisión y luego lo rebobinara, no sería obvio qué camino era hacia adelante y hacia atrás.

En la escala más pequeña, el fenómeno que produce calor, las colisiones de moléculas, es simétrico en el tiempo.

Esto significa que la flecha del tiempo del pasado al futuro solo emerge cuando se retrocede del mundo microscópico al macroscópico, algo que apreció por primera vez el físico y filósofo austriaco Ludwig Boltzmann.

"Entonces, la dirección del tiempo proviene del hecho de que miramos cosas grandes, no miramos los detalles", dice Rovelli.

"Es en este paso, desde la visión microscópica fundamental del mundo hasta la descripción aproximada del mundo macroscópico, aquí es donde entra la dirección del tiempo".

"No es que el mundo esté fundamentalmente orientado en el espacio y el tiempo", dice Rovelli. Es que cuando miramos a nuestro alrededor, vemos una dirección en la que las cosas medianas y cotidianas tienen más entropía: la manzana madura caída del árbol, la baraja de cartas barajada".

Aunque la entropía parece estar inextricablemente ligada a la flecha del tiempo, parece un poco sorprendente, tal vez incluso desconcertante, que la única ley de la física que tiene una fuerte direccionalidad del tiempo incorporada pierda esta direccionalidad cuando miras a muy pequeña escala.

"¿Qué es la entropía?" Rovelli dice.

"La entropía es simplemente cuánto nos olvidamos de la microfísica, cuánto nos olvidamos de las moléculas".

Si hay una flecha del tiempo, ¿de dónde vino en primer lugar?

"La respuesta está incrustada en el comienzo del Universo", dice Carroll.

"La respuesta es porque el Big Bang tenía baja entropía. Y aún así, 14.000 millones de años después estamos nadando en las secuelas de ese tsunami que comenzó cerca del Big Bang. Es por eso que el tiempo tiene una dirección para nosotros".

La entropía extraordinariamente baja del Universo en el Big Bang es tanto una respuesta como una gran pregunta.

El principio y el final

"Lo que menos entendemos sobre la naturaleza del tiempo es por qué el Big Bang tenía baja entropía, por qué el Universo primitivo era así", dice Carroll.

"Y creo honestamente, como cosmólogo en activo, creo que mis compañeros cosmólogos han bajado los brazos en este caso. Realmente no toman ese problema lo suficientemente en serio".

Carroll publicó un artículo en 2004 con su colega Jennifer Chen, en el que pretendían explicar por qué el Universo tenía una entropía tan baja cerca del Big Bang, en lugar de simplemente asumir o aceptar que este fuera el caso.

"Hay muchas lagunas en la teoría, muchos aspectos que no están completamente madurados, pero también creo que es, con mucho, la mejor teoría que tenemos", dice Carroll. "No hace trampa".

Otros cosmólogos están de acuerdo en que es hora de pensar seriamente en este problema de los orígenes de baja entropía del Universo.

"La probabilidad de que nuestro Universo actual tenga condiciones iniciales de este tipo, y no de otro tipo, es de alrededor de uno en 10 a 10 a 124 (1:10^10^124)", dice Cortês. (Otra forma de decirlo es que el evento tenía una probabilidad de 0,00…01, con 120 ceros omitidos).

"Quiero decir que podría decir con seguridad que este es el número más grande en la física moderna, fuera de la filosofía o las matemáticas".

Asumir unos orígenes tan improbables de una entropía tan baja es un gran ejemplo de cómo "empujar el problema debajo de la alfombra", dice Cortês.

"Si los físicos siguen haciendo esto, después de un tiempo lo que habrá será un gran montón debajo de la alfombra. Nos corresponde a nosotros, los cosmólogos, explicar por qué el tiempo solo avanza".

Incluso si aún no sabemos por qué, el pasado de baja entropía del Universo es una fuente plausible de la flecha del tiempo.

Como la mayoría de las cosas que tienen un principio, la flecha también tendrá un final.

La primera persona en detectar esto fue, una vez más, el físico austriaco Ludwig Boltzmann.

"Boltzmann pensó, 'ah, la entropía está creciendo en el Universo y tal vez llegue al máximo en algún momento'", dice Rovelli.

En ese punto, el calor se distribuiría uniformemente por todo el Universo, y ya no fluiría de un lugar a otro.

No habría energía disponible en una forma útil para hacer trabajo; en otras palabras, casi nada interesante estaría sucediendo en todo el Universo.

Como lo describe la astrofísica Katie Mack, "A medida que continúa ese proceso, todo se descompone tanto que todo lo que queda es el calor residual de todo lo que existió alguna vez en el Universo". Este destino se conoce como la muerte térmica del Universo, o muerte por calor.

"Las estrellas dejarán de arder, ya no pasará nada. No habrá nada más que pequeñas fluctuaciones térmicas", dice Rovelli.

"Supongamos que esto sucede. No sabemos con certeza si va a suceder, pero supongamos que sucede, ¿deberíamos decir que no hay dirección de tiempo allí? Por supuesto que no hay dirección de tiempo, porque cada fenómeno que sucedió de una manera podría también ir en un sentido o en el otro. Nada distinguirá las dos direcciones del tiempo".

Esto es quizás lo más extraño de la flecha del tiempo: "Solo dura un rato", dice Carroll.

Es muy difícil imaginar lo que podría pasar si la flecha del tiempo finalmente se desvanece.

"Cuando pensamos, producimos calor en nuestras neuronas", dice Rovelli.

"Pensar es un proceso en el que la neurona necesita entropía para funcionar. Nuestro sentido del paso del tiempo es exactamente lo que la entropía le hace a nuestro cerebro".

La flecha del tiempo que surge de la entropía nos acerca mucho más a comprender por qué el tiempo sólo avanza.

Pero puede haber más flechas del tiempo que esta; de hecho, podría decirse que hay una descarga completa de flechas del tiempo que apuntan desde el pasado hacia el futuro.

Para entender esto, tenemos que pasar de la física a la filosofía.

Tiempo humano

Las formas en que intuitivamente entendemos y experimentamos el tiempo no deben tomarse a la ligera, dice Jenann Ismael, profesora de filosofía en la Universidad de Columbia, Nueva York.

Si piensa en su propia experiencia del tiempo, pronto podrá reconocer varias de las flechas psicológicas que forman una parte central de la experiencia humana.

Una de estas flechas es lo que Ismael llama "fluir".

"Si miras al mundo, no experimentas una representación puramente estática del estado instantáneo del mundo", dice, como en una película compuesta por varios fotogramas estáticos cada segundo.

"Vemos directamente que el mundo está cambiando".

Esta experiencia del flujo del tiempo está integrada en nuestra percepción.

"La visión no se parece en nada a una cámara de cine", dice Ismael.

"En realidad, lo que sucede es que su cerebro está recopilando información durante un período temporal. Está integrando esa información para que, en un momento dado, lo que está viendo sea un cálculo que el cerebro ha hecho. De modo que no solo vea que las cosas se mueven, ves lo rápido que se mueven, la dirección en la que se mueven. Entonces, todo el tiempo, tu cerebro está integrando información en intervalos temporales y te da el resultado. Así que ves el tiempo, de alguna manera".

Hay una segunda característica del tiempo que Ismael distingue del flujo, que ella denomina "pasaje".

La idea de pasaje está íntimamente ligada a experiencias orientadas en el tiempo, como la memoria y la anticipación.

Tome el ejemplo de una boda o cualquier evento de vida muy esperado.

Nuestra experiencia de estos momentos tiene muchas capas, desde las conflictivas etapas de planificación hasta la intensidad del día en sí y los recuerdos que permanecen con nosotros durante años.

Hay una direccionalidad en estas diferentes experiencias: la forma en que anticipamos un evento en el futuro es fundamentalmente diferente de cómo lo recordamos cuando ya pasó.

"Todo eso es parte de lo que considero la experiencia del pasaje, esta idea de que experimentamos cada evento como anticipado del pasado, experimentado en el presente, recordado en retrospectiva", dice Ismael.

"Es una especie de proustiano en su densidad".

Estos aspectos de la direccionalidad del tiempo psicológico, así como muchos otros, como el sentido de apertura que tenemos sobre el futuro pero no sobre el pasado, podrían tener sus raíces en la flecha del tiempo nacida de la Revolución Industrial.

"Creo que todo vuelve a la entropía", dice Ismael.

"Ahora no veo ninguna razón para pensar que los tipos de flechas que están involucradas en la psicología humana están enraizadas en última instancia en la flecha entrópica. Pero es una pregunta empírica. No tengo ninguna razón para pensar que este proyecto para comprender la experiencia humana en relación con la flecha entrópica va a fallar".

Ese proyecto es lo que Carroll espera hacer, tomando varias características de nuestra experiencia del tiempo y relacionándolas con la entropía. Su primer objetivo es la causalidad, otro elemento de la flecha del tiempo, ya que las causas suceden antes que los efectos.

Por decir lo menos, este proyecto es una empresa importante para todos los físicos y filósofos involucrados.

Y aún, al acecho en las sombras detrás de todos esos esfuerzos, queda esa pregunta persistente sobre por qué la entropía era tan baja en el Universo primitivo.

"Creo que entendemos por qué tenemos esta sensación de fluir", dice Rovelli.

"Entendemos por qué el pasado nos parece fijo y el futuro parece abierto. Entendemos por qué hay fenómenos irreversibles, y podemos reducir todo eso a la segunda ley de la termodinámica, al aumento de la entropía".

"Está muy relacionado con el hecho de que si lo rastreamos atrás, atrás, atrás, el Universo comenzó muy pequeño, en una situación muy peculiar. Entonces, de alguna manera, se está revirtiendo esa situación peculiar".

“Pero, por supuesto, hay una pregunta abierta, quiero decir, ¿por qué? ¿Por qué comenzó de esa manera en particular?”