Científicos explican la “flecha del tiempo” usando solo la gravedad

Un nuevo estudio que usa la gravedad para explicar la naturaleza del tiempo sugiere que el Big Bang no fue el principio del universo, y que ahora podríamos estar viviendo en el pasado de un universo paralelo.

Los físicos siempre han tenido un problema con el tiempo, pues todas las ecuaciones que describen cómo funciona el universo funcionan perfectamente tanto si el tiempo fluye hacia adelante o hacia atrás. Sin embargo, nuestra experiencia cotidiana nos dice que el tiempo solo fluye en un sentido, ya que es imposible volver al pasado. Es lo que se conoce como la “flecha del tiempo”, nombre acuñado por el astrofísico Arthur Eddington en 1927.

La flecha del tiempo ha sido enunciada como una ley fundamental de la termodinámica, de modo que el universo que percibimos no es más que un continuo reordenamiento de la materia y la energía hacia estados de mayor entropía. La segunda ley de la termodinámica nos dice que los sistemas aislados tienden a un equilibrio termodinámico del cual es imposible extraer energía útil, y esta tendencia es irreversible, una certeza matemática de las ecuaciones que describen nuestra realidad, y que coincide con nuestra experiencia cotidiana.

La flecha termodinámica del tiempo sugiere que el universo observable comenzó en un estado excepcionalmente ordenado y de baja entropía, y ha ido evolucionando hacia estados irreversibles más desordenados.

Flecha del tiempo, la

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Las primeras explicaciones para la flecha del tiempo

Físicos como Boltzmann, uno de los padres de la termodinámica, creyendo que el universo es eterno, pensaron que esa infinitud del universo podría explicar un origen de baja entropía de la flecha del tiempo. En un universo eterno e infinito cualquier cosa puede suceder un número infinito de veces. De modo que de vez en cuando sería termodinámicamente posible que una región del universo se encontrase en un estado de muy baja entropía del cual pudiera surgir un universo como el observable, aunque estadísticamente la probabilidad sea increíblemente baja. Boltzmann reflexionó que actualmente vivimos en una de estas regiones. Seríamos pues una anomalía estadística en un universo infinito y desordenado.

La cosmología de hoy, sin embargo, complica algo más el asunto, pues la mayoría de las teorías modernas requieren la existencia de un big bang y de un fenómeno conocido como inflación, una expansión increíblemente rápida durante los primeros instantes del universo que “alisó” la estructura del espacio-tiempo permitiendo que surgiese el universo que conocemos. El problema de la teoría inflacionaria es que si es cierto que hubo una inflación extremadamente rápida, esta debería continuar eternamente. Para explicar por qué duró tan poco tiempo, apenas unas millonésimas de segundo, nuestro universo puede equipararse a una burbuja en lenta expansión dentro de universo en expansión inflacionaria. Y por supuesto cabe la posibilidad de que existan infinitud de otras burbujas en expansión más lenta conteniendo otros universos.

Un nuevo estudio usa la gravedad para explicar la flecha del tiempo

Para algunos científicos la idea de una etapa inflacionaria para explicar un origen del universo con muy baja entropía resulta insatisfactoria, pues no están claros los procesos que iniciaron o han detenido la inflación en nuestro universo. Pero un nuevo estudio publicado en Physical Review Letters de los científicos Julian Barbour, de la Universidad de Oxford, Tim Koslowski de la Universidad de New Brunswick y Flavio Mercati del Instituto Perimeter de Física Teórica sugiere que tal vez la flecha del tiempo no requiere estado inicial de baja entropía, sino que esta es el producto inevitable de las leyes fundamentales de la física. Barbour y sus colegas argumentan que es la gravedad, en lugar de la termodinámica, la que genera la flecha del tiempo.

El equipo llegó a esta conclusión después de realizar una simulación por ordenador en la que 1.000 partículas interactúan bajo la ley de la gravedad de Newton. Se estudió la evolución del sistema desde el punto de vista de su complejidad, que relaciona la distancia entre el par de partículas más cercanas y la distancia entre el par de partículas más ampliamente separadas. Los científicos descubrieron que la complejidad del sistema se minimiza cuando todas las partículas se encuentran juntas en una nube densa, ocupando un espacio mínimo de manera muy uniforme. Este estado es comparable a un Big Bang con entropía muy baja. El análisis del equipo demostró que esencialmente todas las configuraciones de partículas, independientemente de su número y escala, acaban evolucionando a este estado de baja complejidad.

A partir del Big Bang el universo evoluciona en dos ramas temporalmente opuestas

A partir de ese estado de baja complejidad el sistema de partículas se expande hacia afuera en ambas direcciones temporales, es decir, se crean dos flechas temporales simétricas y opuestas. A lo largo de cada uno de los dos caminos temporales, la gravedad coloca las partículas en estructuras de mayor tamaño y complejidad, análogas a los cúmulos de galaxias, estrellas y sistemas planetarios. A partir de ahí el paso termodinámico del tiempo puede manifestarse de manera normal en cada uno de los dos caminos divergentes.

En otras palabras, el modelo tiene un único pasado, pero dos futuros distintos. Como insinúan las leyes de la física el tiempo puede discurrir en dos direcciones simétricas, aunque un observador sólo puede experimentar una de ellas. Según explica Barbour esta situación haría que un observador en un universo perciba a otro observador del universo del otro lado del Big Bang como en su pasado distante, y viceversa. Nosotros estaríamos pues en el pasado de un universo paralelo que, a su vez, está desde nuestra perspectiva en nuestro pasado.

La fuerza de la gravedad, por tanto, es capaz sin más de preparar el escenario para la expansión del sistema y la flecha del tiempo. Otros científicos, como Alan Guth, un cosmólogo del MIT que fue pionero en la teoría de la inflación, se encuentran trabajando en hipótesis similares, pero con un enfoque más termodinámico. “Si asumimos que no hay entropía máxima posible para el universo, entonces cualquier estado puede ser un estado de baja entropía”, dice Guth. “Esto puede sonar tonto, pero creo que la idea realmente funciona, y también creo que es el secreto detrás de la conclusiones del equipo de Barbour. Si no hay límite para la magnitud de la entropía, entonces cualquier valor de entropía puede tomarse como el inicial, y desde ese punto de partida la entropía aumenta, ya que el sistema se transforma para explorar regiones más grandes del espacio de fase.

La inflación eterna es un contexto natural en el que invocar esta idea, ya que parece que la entropía máxima posible es ilimitada en un universo eternamente inflacinario”. Aunque el modelo es muy simple y no incorpora ni la mecánica cuántica ni la relatividad general, sus posibles implicaciones son enormes. Si el modelo es aplicable a nuestro universo, entonces el Big Bang no sería más que una fase más en universo atemporal y eterno. Si la gravitación es realmente fundamental para la existencia de la flecha del tiempo, tarde o temprano la teoría generará predicciones comprobables de manera empírica. Estaremos atentos.

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