La flecha del tiempo (Parte III)

Las leyes básicas de la física funcionan igualmente bien hacia adelante que hacia atrás en el tiempo, pero percibimos el tiempo moviéndose sólo en una dirección, hacia el futuro. ¿Porqué?

Para dar cuenta de esto, debemos hurgar en la prehistoria del Universo, a un tiempo anterior al Big Bang. Nuestro Universo podría ser parte de un multiverso mucho mayor, que como un todo sea simétrico-temporal. El tiempo quizás vaya hacia atrás en otros universos.

Imagen de Lucy Reading-Ikkanda - Restaurando la simetría del tiempo

De acuerdo al modelo estándar de la cosmología, el universo comenzó como un gas casi uniforme y finalizará como espacio vacío, es decir, que va de baja entropía a alta entropía, una condicional final que los físicos llaman "heat death" o "Muerte del calor". Pero este modelo falla en explicar qué configuró el estadio incial de baja entropía. El modelo del autor añade un período de prehistoria. El universo comenzó vacío y terminará igual. La aparición de estrellas y galaxias es una desviación temporaria de su condición usual de equilibrio.

(La figura es esquemática, no muestra la expansión del universo)

Cuadro por cuadro:    Prehistoria:  El espacio está casi vacío. Los campos cuánticos en una región fluctúan. El espacio se infla. La inflación termina y llena el espacio con un casi primordial casi uniforme. Los agrupamientos forman galaxias. El universo actual. La expansión acelerada empuja las galaxias fuera de vista. Cada galaxia colpasa hacia un agujero negro que se evaporan a un gas difuso. El espacio es casi vacío.

Continuación de La flecha del tiempo (Parte II)

Lo que sigue es una traducción del artículo de Sean M. Carroll en Scientific American, titulado Does Time Run Backward in Other Universes?
Dada la longitud del artículo, se publicará en tres partes.

Entre las cosas que pueden fluctuar hacia la existencia están las pequeñas regiones de energía oscura ultradensa. Si las condiciones son las correctas, esa región puede sufrir la inflación y cerrarse para formar un universo separado por su cuenta - un universo bebé. Nuestro universo podría ser el hijo de otro universo.

Superficialmente, este escenario tiene un parecido con la inflación estándar. La diferencia es la naturaleza de las condiciones iniciales. En la forma estándar, la región surge en un enfervorizante universo fluctuante, en el que la mayor parte de las fluctuaciones produjeron nada parecido a la inflación. Sería mucho más probable para el universo, fluctuar directamente en un big bang caliente, salteándose el estadío inflacionario completamente. De hecho, en cuanto concierne a la entropía, sería mucho más probable para el universo fluctuar directamente hacia la configuración que vemos hoy, sorteando los pasados 14 mil millones de años de evolución cósmica.

En nuestro nuevo escenario, el universo preexistente no fue nunca fluctuante al azar; estaba en un estado muy específico: espacio vacío. Lo que esta teoría afirma - y que debe probarse- es que la manera más probable de crear universos como el nuestro de un estado preexistente es ir a través de un período de inflación, en vez de fluctuar directamente. Nuestro univeso, en otras palabras, es una fluctuante pero no uno azaroso.

Opmeit Led Ahcelf

Este escenario, propuesto en 2004 por Jennifer Chen de la Universidad de Chicago y yo, provee una provocativa solución al origen de la asimetría en nuestro universo observable: vemos sólo una pequeña parte de toda la imagen, y ese campo mayor es simétrico en el tiempo. La entropía puede crecer sin límite a través de la creación de nuevos univesos.

Aún mejor, esta historia puede ser contada hacia atrás y hacia adelante en el tiempo. Imagine que empezamos con espacio vacío en cierto momento particular y lo vemos evolucionar hacia el futuro y hacia el pasado. (Va hacia ambos lados porque no estamos presumiendo una unidireccional flecha del tiempo). Los bebés universos fluctúan hacia la existencia en ambas direcciones del tiempo, finalmente vaciándose y dando a luz sus propios bebés. A escalas ultragrandes, semejante multiverso se vería estadísticamente simétrico con respecto al tiempo - ambos, pasado y futuro, tendrían nuevos universos fluctuando hacia la vida y proliferando. Cada uno de ellos experimentaría una flecha del tiempo, pero la mitad tendrían una flecha que estaría en reversa con respecto a la flecha de otros.

La idea de un universo con una flecha del tiempo hacia atrás podría parecer alarmante. Si conociéramos a alguien de un univeso así, ¿se acordarían del futuro? Felizmente, no hay peligro para tal encuentro. En el escenario que estamos describiendo, los únicos lugares donde el tiempo parece ir hacia atrás están enormemente lejos en nuestro pasado, mucho antes del big bang. En medio hay una amplia expansión del universo en la que el tiempo no parece correr en absoluto; casi no existe materia y la entropía no evoluciona. Cualquier ser que viva en una de estas regiones de tiempo revertido no nacería viejo y moriría joven, ni nada fuero de lo ordinario. Para ellos, el tiempo fluiría en una forma convencional. Sería sólo al comparar su universo con el nuestro que algo parecería fuera de lo normal: nuestro pasado es su futuro y viceversa. Pero semejante comparación es puramente hipotética, ya que no podemos llegar allí y ellos no pueden llegar aquí.

Por ahora, el jurado está fuera de nuestro modelo. Los cosmólogos han contemplado la idea de bebés universos por muchos años, pero no entendemos el proceso de nacimiento. Si las fluctuaciones cuánticas pudieran crear nuevos universos, también podrían crear muchas otras cosas - por ejemplo, una galaxia entera. Para que un escenario como el nuestro explique el universo que vemos, debe predecir que la mayoría de las galaxias surgen en el período posterior al big bang - como eventos y no sólo fluctuaciones en otro universo vacío. Si no, nuestro universo parecería muy anormal.

Pero la lección para llevarnos a casa no es un escenario particular para la estructura del espacio-tiempo a ultragrandes escalas. Es la idea que una increíble característica de nuestro cosmos observable - la flecha del tiempo, surgiendo de condiciones de muy baja entropía en el universo temprano- puede proveernos pistas acerca de la naturaleza del universo no-observable.

Como se mencionó al principio de este artículo, es bueno tener una imagen que concuerde con los datos, pero los cosmólogos quieren más que eso: buscamos un entendimiento a las leyes de la naturaleza y de nuestro particular univeso en la que todo tenga sentido para nosotros. No queremos ser reducidos a aceptar las extrañas características de nuestro universo como hechos brutos. La dramática asimetría del tiempo de nuestro cosmos observable parece ofrecernos una pista sobre algo más profundo -un clave hacia el funcionamiento esencial del espacio y el tiemp. Nuestra tarea como físicos es usar esta y otras pistas para armar una poderosa imagen.

Si el universo observable fuera todo lo que existe, sería casi imposible dar cuenta de la flecha del tiempo en una forma natural. pero si el universo a nuestro alrededor es un pequeña parte de una imagen mucho mayor, nuevas posibilidades se presentan. Podemos concebir nuestro porción de universo como una pieza de un rompecabezas, parte de la tendencia de un sistema mayor para incrementar su entropía sin límites en el pasado lejano y el futuro distante. Parafraseando al físico Edward Tyron, el big bang es fácil de entender si no es el comienzo de todo sino una de esas cosas que ocurren de tiempo en tiempo.

Otros investigadores están trabajando en ideas similares, y más y más cosmólogos están tomando seriamente el problema que genera la flecha del tiempo. Es suficientemente fácil ver la flecha -todo lo que debe hacer es mezclar un poco de leche a su café. Mientras lo revuelve, puede contemplar cómo es simple acto puede ser rastreado todo el camino hacia el comienzo de nuestro universo observable y quizás más allá.

Esta historia fue impresa originalmente como "El comienzo cósmico de la flecha del tiempo".

Acerca del autor

Sean M. Carroll es un investigador senior asociado en física en el California Institute of Technology. Su investigación alcanza la cosmología, física de partículas y la teoría general de la relatividad de Einstein, con particular experiencia en energía oscura. Ha sido galardonado con becas de investigación de las fundaciones Sloan y Packard, así como el Consejo de Enseñanza de Estudiantes Gradudados de M.I.T y la Universidad Villanova. Fuera de lo académico, Carroll es mejor conocido como un contribuyente al blog Cosmic Variance, que no es sólo uno de los blogs de ciencia más serios sino la forma en que conoció a su esposa, la escritora de ciencia Jennifer Ouellette.

La historia del Universo Observable

Aquí hay una línea de tiempo de los eventos importantes en la historia de nuestro universo observable, de acuerdo a la cosmología convencional:

-El espacio está vacío, caracterizándose sólo por una pequeña cantidad de energía de vacío y una ocasional partícula de larga longitud de onda formada vía fluctuaciones de los campos cuánticos que tiñen el espacio.

-Una radiación de alta intensidad barre de pronto el universo, en una forma esférica enfocándose en un punto en el espacio. Cuando la radiación colecta todo en ese punto, un "agujero blanco" se formó.

-El agujero blanco gradualmente crece a miles de millones de veces la masa del sol, a través de la acreción de radiación adicional de la decreciente temperatura.

-Otros agujeros blancos comienzan a aproximarse desde miles de millones de años luz. Forman una distribución homogénea, moviéndose lentamente uno hacia el otro.

-Los agujeros blancos comienzan a perder masa al eyectar gas, polvo y radiación al entorno circundante.

-El gas y polvo ocasionalmente implosionan para formar estrellas, que se esparcen hasta galaxias alrededor de los agujeros blancos.

-Como los agujeros blancos, las estrellas reciben radiación. Usan la energía de esta radiación para convertir elementos pesados en otros más livianos.
Las estrellas se dispersan en gas, que gradualmente se suaviza a través del espacio; la materia como un todo continúa moviéndose junta y crece más densamente.

-El universo se vuelve cada vez más caliente y denso, finalmente contrayéndose hacia un big crunch.

Es innecesario decir que esta no es la forma usual de describir la historia de nuestro universo. Es la secuencia convencional de eventos contados hacia atrás en el tiempo. Pero las leyes de la física trabajan igualmente bien hacia atrás y hacia adelante en el tiempo. Así, esta secuencia es tan legítima como la usual. Sirve al propósito de llevar a casa cuán improbable es realmente la historia de nuestro universo observable.
S.M.C.

Preguntas frecuentes de La Flecha del Tiempo

Si la entropía siempre se incrementa, ¿cómo se forman los objetos de baja entropía?
La ley de entropía se aplica a sistemas cerrados. No prohibe el decrecimiento de la entropía en sistemas abiertos, incluyendo gallinas. Una gallina toma energía y realiza un gran esfuerzo en producir un huevo.

¿Ningún proceso de partículas tiene una flecha del tiempo?
El decaimiento de algunas partículas elementales, como los kaons neutrales, ocurren más frecuentemente en una dirección del tiempo que en otra. (Los físicos no necesitan viajar atrás en el tiempo para observar esta asimetría, ellos infieren esto de experimentos sobre propiedades de las partículas). Pero estos procesos son reversibles, a diferencia del crecimiento de la entropía, por lo que no explican la flecha del tiempo. El modelo estándar de la física de partículas no parece ser de ayuda en explicar la baja entropía del universo temprano.

¿La mecánica cuántica tiene una flecha del tiempo?
De acuerdo a la interpretación estándar de la mecánica cuántica, la medición de un sistema causa una función de onda que "colapsa", un proceso que es asimétrico en el tiempo. Pero la razón de que las funciones de onda colapsen pero nunca "des-colapsen" es la misma razón por la que los huevos se rompen y no se "des-rompen", porque el colapso incrementa la entropía del universo. La mecánica cuántica no explica porqué la entropía fue baja en primer lugar.

¿Porqué recordamos el pasado y no el futuro?
Formar una memoria confiable requiere que el pasado esté ordenado - esto es, tenga una baja entropía. Si la entropía es alta, casi todos los "recuerdos" serían fluctuaciones al azar, completamente desvinculadas de lo que realmente pasó en el pasado.

¿Es testeable la teoría del multiverso?
La idea de que el univeso se extiende mucho más allá de lo que vemos no es realmente una teoría - es una predicción hecha por ciertas teorías de la mecánica cuántica y gravedad. La verdad es que es una predición difícil de probar. Pero todas las teorías de la física nos fuerzan a ir más allá de lo que podemos ver directamente. Por ejemplo, nuestro mejor modelo actual para el origen de la estructura cósmica, el escenario inflacionario, requiere que entendamos las condiciones incluso antes de la inflación.

Todos los capítulos de la serie:

La flecha del tiempo (Parte I)

La flecha del tiempo (Parte II)

La flecha del tiempo (Parte III)

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Fuentes y links relacionados

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Does Time Run Backward in Other Universes?
Destino último del universo

Vía: Últimas noticias del cosmos