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El concepto de tiempo en la Ciencia Moderna
Antonio Dobado (Departamento de Física Teórica, Universidad Complutense de Madrid)

FUENTE: madri+d
Esta noticia ha sido publicada por la redacción de Madrid+D. La reproducimos aquí por su interés educativo.

Si nadie me lo pregunta, lo sé,
pero si alguien me pide que se lo explique, no sé...

AGUSTÍN DE HIPONA

Desde los orígenes de la civilización el misterio del Tiempo ha fascinado, intrigado e inquietado al ser humano. El Tiempo parece avanzar incluso en ausencia de movimiento. La irreversibilidad y la inexorabilidad del paso del Tiempo inevitablemente recuerdan al individuo su propia desaparición en un futuro más o menos próximo.

En las culturas de la antigüedad podemos encontrar básicamente dos visiones diferentes del Tiempo. Entre los hindúes, en Grecia, en China y para los mayas y aztecas, el Tiempo es cíclico, tanto a escala humana como cosmológica. Por el contrario el Judaísmo, inspirado en el Zoroastrismo, considera el Tiempo de una forma lineal, con un principio y un fin bien definido. Esta visión del Tiempo es heredada posteriormente por el Cristianismo y el Islam.

Más recientemente Newton introduce las nociones de Tiempo y Espacio absolutos e inmutables, sin principio ni fin, aunque curiosamente sus ecuaciones de la Mecánica y la Gravitación eran perfectamente compatibles con la noción espacio y movimiento relativos introducida previamente por Galileo. En todo caso la Mecánica Clásica introducida por Newton incorpora de manera esencial la causalidad y el determinismo. El estado de un sistema en cierto momento determina completamente su evolución futura de una forma que en principio se puede determinar con precisión arbitrariamente alta. Este hecho llevó a Laplace a afirmar que si una mente superior conociera exactamente las posiciones y velocidades de todas las partículas que constituyen el Universo, y tuviera una capacidad de cálculo suficiente, podría alcanzar a saber con toda precisión cada detalle de la evolución futura del Universo. La Mecánica Clásica tiene también la propiedad de ser reversible en el tiempo. Esto significa que dada una evolución posible de un sistema mecánico, la secuencia que veríamos si pasáramos la película hacia atrás también es físicamente posible.

La primera flecha del Tiempo no aparece en la Física moderna hasta el siglo XIX con el desarrollo de la Termodinámica y la Física Estadística. La famosa Segunda Ley afirma que todos los sistemas aislados tienden al equilibrio termodinámico en la misma dirección del Tiempo. Si mezclamos agua caliente con agua fría al final tendremos agua templada. Nunca veremos que el agua caliente aumente su temperatura a costa de calor extraído del agua fría, aunque esto no entraría en contradicción con la Primera Ley de la Termodinámica que proclama la conservación de la energía en todo sistema aislado. El verdadero significado de la Segunda Ley, o ley del aumento de la entropía, fue puesto de manifiesto por Boltzmann quién no solo dio una interpretación estadística de la misma sino que explicó porque ésta aumenta casi siempre. La tendencia al aumento de la entropía o del desorden molecular, es por tanto de naturaleza probabilística, pero a todos los efectos prácticos puede considerarse una ley absoluta que no está en contradicción con la reversibilidad de la Mecánica Clásica. La aparente contradicción que tantos ataques le valió a Boltzmann por parte de sus contemporáneos, especialmente Poincaré, fue resuelta por el propio Boltzmann. La explicación pasa por el reconocimiento de que la precisión en la determinación del estado microscópico del sistema es siempre necesariamente limitada, y de que la inmensa mayoría de los estados presentan un alto grado de desorden, lo cuál a efectos prácticos da lugar a que la dinámica del sistema evolucione casi siempre hacia un aumento del desorden con el paso del Tiempo.

El siguiente hito en nuestra concepción del Tiempo y del Espacio se produce en 1905 con la introducción por parte de Einstein de la Relatividad Especial. De hecho el año 2005 ha sido declarado por la UNESCO y por la ONU el Año Internacional de la Física para conmemorar este hecho entre otras cosas. En la Teoría Especial de la Relatividad el Tiempo y el Espacio absolutos de Newton desaparecen para dar lugar a un continuo espacio temporal. En particular el Tiempo transcurre a distinto ritmo para diferentes observadores inerciales dependiendo de su velocidad relativa. Las señales entre puntos diferentes deben propagarse a velocidades inferiores o iguales a la de la luz pero nunca más deprisa que ésta, desapareciendo también por tanto la noción Newtoniana de acción a distancia. En la Relatividad Especial la estructura causal de los diferentes eventos esta escrupulosamente garantizada a pesar del carácter relativo del Tiempo y del Espacio. Así dos eventos A y B pueden ser simultáneos, ocurrir A antes que B o B antes que A dependiendo del observador, pero solo a condición de que no exista una relación de causa efecto entre ellos. Así si A es causa de B necesariamente A ocurre antes que B para todo observador. También es posible el viaje hacia el futuro, por ejemplo realizado un viaje de ida y vuelta a velocidad suficientemente alta durante un tiempo suficientemente largo. El viaje al futuro está permitido porque no cuestiona la estructura causal de los acontecimientos. Sin embargo el viaje al pasado no es posible por que podría alterar dicha estructura causal. Uno podría por ejemplo viajar al pasado y matar a algún antecesor suyo lo cual crearía una paradoja irresoluble. Además de ser una teoría causal, la Relatividad Especial es una teoría determinista de manera que como ocurría en la Mecánica Clásica el estado presente del sistema determina de forma unívoca y reversible cualquier estado posterior del sistema. No hay por tanto flecha del Tiempo en dicha Teoría.

Unos diez años después de proponer la Relatividad Especial, Einstein volvió a conmover los cimientos de la Física con la introducción de la Teoría General la Relatividad. En dicha teoría el campo gravitacional se interpreta como una curvatura del continuo espacio temporal. El Tiempo no solo pasa a un ritmo diferente para diferentes observadores sino que en cada punto del espacio-tiempo transcurre de forma diferente en función de la intensidad del campo gravitacional en dicho punto. La teoría General de la Relatividad sigue siendo una teoría causal y determinista. Sin embargo presenta rasgos nuevos con respecto al problema de la flecha del Tiempo. En primer lugar la teoría predice la existencia de los llamados agujeros negros. Dichos objetos corresponderían a zonas del espacio donde el campo gravitacional es tan intenso que nada, ni siquiera la luz, podría escapar de ellos y de ahí su nombre. Los agujeros negros se hallan rodeados de una superficie que recibe el nombre de horizonte de sucesos. Si un objeto atraviesa esta superficie desde el exterior ya no podrá escapar jamás del agujero negro por que para ello debería moverse a velocidad superior a la de la luz lo cual no es posible. De esta manera los agujeros negros introducen un elemento de irreversibilidad en la Relatividad General. Además esta teoría permite hacer una descripción del Universo a gran escala, es decir, permite construir una Cosmología. Si no hubiera sido por un prejuicio filosófico Einstein podría haber predicho la expansión del Universo utilizando sus propias ecuaciones. En lugar de esto las modifico introduciendo en ellas un sumando adicional que recibe el nombre de término cosmológico y que permite obtener soluciones en las que el Universo es estático. Cuando algún tiempo después Hubble descubrió que el Universo efectivamente se expande Einstein afirmó que la introducción del término cosmológico había sido el mayor error de su vida. La expansión del Universo obviamente introduce otra flecha del tiempo. El tiempo avanza en la dirección en la que el Universo se expande y no en la dirección inversa. Más aún, retrotrayéndonos a tiempos pasados, a la vista del ritmo de expansión actual y utilizando la propia Teoría General de la Relatividad, llegamos a la conclusión de que el Universo en su conjunto, y con él el Espacio y el Tiempo, tuvieron un principio (el Big Bang) que ocurrió hace un tiempo finito que se estima en aproximadamente 13,700 millones de años.

La otra gran revolución ocurrida durante la primera parte del siglo XX en el mundo de la Física la protagonizó la aparición de la Mecánica Cuántica. De acuerdo con esta teoría las partículas subatómicas deben describirse mediante la llamada función de onda de manera que la posición y la cantidad de movimiento (momentum) de la partícula no pueden determinarse con precisión arbitrariamente alta (Principio de Indeterminación de Heisenberg). Aunque la evolución de la función de onda es determinista no podemos predecir donde vamos a encontrar la partícula si medimos su posición, sino solo la probabilidad de que se encuentre en una u otra región del espacio. Al realizar la medida la función de onda sufre el llamado colapso o reducción que constituye una transformación irreversible de la misma. Aunque hoy en día muchos físicos cuestionan la existencia real de dicho colapso se supone que proporciona una descripción efectiva de la interacción de la función de onda con el aparato de medida macroscópico. En todo caso a todos los efectos aparece una nueva flecha del Tiempo cuántica cuando realizamos una medida sobre un sistema microscópico. Además las fluctuaciones cuánticas producen un efecto insospechado en la física de los agujeros negros. De acuerdo con Hawking éstos pueden radiar en forma de energía térmica la masa que engullen hasta desaparecer completamente. De esta forma la información que pudiera contener esta materia desaparecería en principio también irreversiblemente, salvo que algún mecanismo desconocido hasta ahora fuera capaz de rescatarla de algún modo.

Finalmente en 1964 se descubrió la existencia de un proceso de desintegración de una partícula subatómica llamada kaón de vida media larga que viola la ley de conservación de la denominada simetría CP. En virtud del teorema CPT, que es una consecuencia de la aplicación combinada de la Relatividad Especial y de la Mecánica Cuántica, que predice correctamente la igualdad de la masa y la vida media de cada partícula y su antipartícula, la violación de la simetría CP implicaría la violación de la invarianza temporal. En otras palabras la reacción inversa de este proceso de desintegración es un proceso que no se da en la Naturaleza. Posteriormente se han observado otros procesos que también serían irreversibles en este sentido. De esta manera podemos afirmar que existe una flecha microscópica del Tiempo que permite ciertos procesos pero no los correspondientes a pasar la película hacia atrás.

Además de todo lo dicho la ciencia moderna ha podido reconstruir en buena medida la Historia Natural de todo nuestro Universo. Como ya se ha comentado el Universo surgió en medio de una Gran Explosión hace unos 13,700 millones de años, posteriormente se formaron los elementos ligeros (nucleosíntesis) y se produjo el desacoplo de la radiación y la materia mientras continuaba la expansión y se empezaban a producir las galaxias y las estrellas. Hace unos 4,500 millones de años se formo el Sistema Solar y la Tierra. Los primeros signos de vida aparecieron hace unos 3,750 millones de años. Desde entonces los seres vivos no han parado de aumentar en número y complejidad hasta el momento presente de acuerdo con la Teoría de la Evolución de Darwin, y sus vidas se han acompasado a biorritmos marcados muchas veces por la rotación y la traslación de la Tierra en torno al Sol, como ocurre con los ciclos circadianos y los reproductivos.

¿Cuál es pues el futuro de nuestro Universo? De acuerdo con recientes observaciones de supernovas lejanas, del fondo cósmico de microondas y de la distribución de materia, nuestro Universo parece encontrarse en una fase de expansión acelerada impulsado por la misteriosa energía oscura que no es otra cosa que la constante cosmológica introducida por Einstein aunque con el signo contrario (incluso cuando se equivocaba tenía razón). De acuerdo con lo que sabemos por el momento el Universo seguirá expandiéndose indefinidamente. Las galaxias que nos rodean estarán cada vez más y más lejos y el Universo se verá abocado a un estado cada vez menos denso.

Parece por tanto que la ciencia moderna confirma en parte el carácter lineal del tiempo y del mundo de Zoroastro. Así el Universo tuvo un principio, ha evolucionado de forma irreversible, pero no tendrá un final bien definido salvo la desaparición paulatina en una eterna y vacía oscuridad.