Por qué el tiempo va siempre hacia adelante y nunca hacia atrás.

Imagina el tiempo corriendo hacia atrás. Las personas se volverían más jóvenes en lugar de mayores y, después de una larga vida de rejuvenecimiento gradual, desaprendiendo todo lo que saben, terminarían como un brillo en los ojos de sus padres. Ese es el tiempo representado en una novela del escritor de ciencia ficción Philip K Dick, pero, sorprendentemente, la dirección del tiempo también es un problema con el que los cosmólogos están lidiando.

Si bien damos por sentado que el tiempo tiene una dirección determinada, los físicos no: la mayoría de las leyes naturales son “reversibles en el tiempo”, lo que significa que funcionarían igual de bien si el tiempo se definiera como un retroceso. Entonces, ¿por qué el tiempo siempre avanza? ¿Y siempre lo hará?

¿El tiempo tiene un comienzo?

Cualquier concepto universal del tiempo debe basarse en la evolución del cosmos mismo. Cuando miras el universo, estás viendo eventos que sucedieron en el pasado: lleva poco tiempo llegar a nosotros. De hecho, incluso la observación más simple puede ayudarnos a comprender el tiempo cosmológico: por ejemplo, el hecho de que el cielo nocturno está oscuro. Si el universo tuviera un pasado infinito y su extensión fuera infinita, el cielo nocturno sería completamente brillante, lleno de la luz de un número infinito de estrellas en un cosmos que siempre existió.

Durante mucho tiempo, los científicos, incluido Albert Einstein, pensaron que el universo era estático e infinito. Desde entonces, las observaciones han demostrado que, de hecho, se está expandiendo y a un ritmo acelerado. Esto significa que debe haberse originado en un estado más compacto que llamamos Big Bang, lo que implica que el tiempo tiene un comienzo. De hecho, si buscamos luz que tenga la edad suficiente, incluso podemos ver la radiación reliquia de Big Bang, el fondo cósmico de microondas. Darse cuenta de esto fue un primer paso para determinar la edad del universo (ver más abajo).

Pero hay un inconveniente, la teoría especial de la relatividad de Einstein, muestra que el tiempo es … relativo: cuanto más rápido te muevas en relación a mí, más lento pasará para ti en relación con mi percepción del tiempo. Entonces, en nuestro universo de galaxias en expansión, estrellas giratorias y planetas giratorios, las experiencias del tiempo varían: todo el pasado, el presente y el futuro es relativo.

Entonces, ¿hay un momento universal en el que todos podamos estar de acuerdo?

Resulta que debido a que el universo es en promedio el mismo en todas partes, y en promedio se ve igual en todas las direcciones, existe un “tiempo cósmico”. Para medirlo, todo lo que tenemos que hacer es medir las propiedades del fondo cósmico de microondas. Los cosmólogos han usado esto para determinar la edad del universo; Su edad cósmica. Resulta que el universo tiene 13.799 millones de años.

Flecha del tiempo

Entonces, sabemos que el tiempo probablemente comenzó durante el Big Bang. Pero queda una pregunta persistente: ¿qué es exactamente el tiempo?

Para desempaquetar esta pregunta, tenemos que mirar las propiedades básicas del espacio y el tiempo. En la dimensión del espacio, puede moverse hacia adelante y hacia atrás; los viajeros experimentan esto todos los días. Pero el tiempo es diferente, tiene una dirección, siempre avanzas, nunca en reversa. Entonces, ¿por qué la dimensión del tiempo es irreversible? Este es uno de los principales problemas no resueltos en física.

Para explicar por qué el tiempo en sí mismo es irreversible, necesitamos encontrar procesos en la naturaleza que también sean irreversibles. Uno de los pocos conceptos de este tipo en física (¡y en la vida!) Es que las cosas tienden a volverse menos “ordenadas” a medida que pasa el tiempo. Describimos esto usando una propiedad física llamada entropía que codifica qué tan ordenado está algo.

Imagine una caja de gas en la que todas las partículas se colocaron inicialmente en una esquina (un estado ordenado). Con el tiempo, naturalmente buscarían llenar toda la caja (un estado desordenado), y volver a poner las partículas en un estado ordenado requeriría energía. Esto es irreversible. Es como romper un huevo para hacer una tortilla: una vez que se extiende y llena la sartén, nunca volverá a tener forma de huevo. Es lo mismo con el universo: a medida que evoluciona, la entropía general aumenta.

Resulta que la entropía es una forma bastante buena de explicar la flecha del tiempo. Y aunque parezca que el universo se está volviendo más ordenado en lugar de menos, pasando de un mar salvaje de gas caliente distribuido de manera relativamente uniforme en sus primeras etapas a estrellas, planetas, humanos y artículos sobre el tiempo, sin embargo, es posible que esté aumentando en desorden. 

Esto se debe a que la gravedad asociada con las grandes masas puede estar llevando la materia a estados aparentemente ordenados, con el aumento del desorden que creemos que debe haber tenido lugar de alguna manera oculto en los campos gravitacionales. Por lo tanto, el desorden podría aumentar a pesar de que no lo vemos.

Pero dada la tendencia de la naturaleza a preferir el desorden, ¿por qué el universo comenzó en un estado tan ordenado en primer lugar? Esto todavía se considera un misterio. Algunos investigadores sostienen que el Big Bang puede no haber sido el comienzo, de hecho puede haber “universos paralelos” donde el tiempo corre en diferentes direcciones.

¿Terminará el tiempo?

El tiempo tuvo un comienzo, pero si tendrá un final depende de la naturaleza de la energía oscura que está causando que se expanda a un ritmo acelerado. La velocidad de esta expansión puede eventualmente desgarrar el universo, forzándolo a terminar en un Big Rip; alternativamente, la energía oscura puede decaer, revirtiendo el Big Bang y terminando el Universo en un Big Crunch; o el Universo puede simplemente expandirse para siempre.

¿Pero alguno de estos escenarios futuros terminaría con el tiempo? Bueno, de acuerdo con las extrañas reglas de la mecánica cuántica, pequeñas partículas aleatorias pueden salir momentáneamente del vacío, algo que se ve constantemente en los experimentos de física de partículas. 

Algunos han argumentado que la energía oscura podría causar tales “fluctuaciones cuánticas” dando lugar a un nuevo Big Bang, terminando nuestra línea de tiempo y comenzando una nueva. Si bien esto es extremadamente especulativo y altamente improbable, lo que sí sabemos es que solo cuando comprendamos la energía oscura sabremos el destino del universo. Entonces, ¿cuál es el resultado más probable? Sólo el tiempo dirá.

Autor: Thomas Kitching, Profesor de Astrofísica, UCL. Por The Conversation.