La flecha del tiempo , también llamada flecha del tiempo , es el concepto que postula la "dirección unidireccional" o " asimetría " del tiempo . Fue desarrollada en 1927 por el astrofísico británico Arthur Eddington , y es una cuestión de física general sin resolver . Esta dirección, según Eddington, podría determinarse estudiando la organización de átomos , moléculas y cuerpos , y podría dibujarse sobre un mapa relativista de cuatro dimensiones del mundo ("un bloque sólido de papel"). [1]
La paradoja de la flecha del tiempo fue reconocida originalmente en el siglo XIX para los gases (y otras sustancias) como una discrepancia entre la descripción microscópica y macroscópica de la termodinámica / física estadística : a nivel microscópico se cree que los procesos físicos son total o mayoritariamente simétricos en el tiempo : si la dirección del tiempo se invirtiera, las afirmaciones teóricas que los describen seguirían siendo verdaderas. Sin embargo, a nivel macroscópico a menudo parece que este no es el caso: hay una dirección (o flujo ) obvia del tiempo.
La simetría del tiempo ( simetría T ) puede entenderse simplemente como lo siguiente: si el tiempo fuera perfectamente simétrico, un vídeo de eventos reales parecería realista tanto si se reprodujera hacia adelante como hacia atrás. [2] La gravedad , por ejemplo, es una fuerza reversible en el tiempo. Una pelota que se lanza hacia arriba, se frena hasta detenerse y cae es un caso en el que las grabaciones se verían igualmente realistas hacia adelante y hacia atrás. El sistema es T-simétrico. Sin embargo, el proceso de rebote de la pelota y finalmente detenerse no es reversible en el tiempo. Mientras avanza, la energía cinética se disipa y la entropía aumenta. La entropía puede ser uno de los pocos procesos que no es reversible en el tiempo . Según la noción estadística de aumento de la entropía, la "flecha" del tiempo se identifica con una disminución de la energía libre. [3]
En su libro The Big Picture , el físico Sean M. Carroll compara la asimetría del tiempo con la asimetría del espacio: Si bien las leyes físicas son en general isótropas , cerca de la Tierra hay una distinción obvia entre "arriba" y "abajo", debido a la proximidad a este enorme cuerpo, que rompe la simetría del espacio. De manera similar, las leyes físicas son en general simétricas al cambio de dirección del tiempo, pero cerca del Big Bang (es decir, en los primeros billones de años posteriores ), hay una distinción obvia entre "adelante" y "atrás" en el tiempo, debido a la proximidad relativa a este evento especial, que rompe la simetría del tiempo. Desde este punto de vista, todas las flechas del tiempo son resultado de nuestra relativa proximidad en el tiempo al Big Bang y las circunstancias especiales que existían entonces. (Estrictamente hablando, las interacciones débiles son asimétricas tanto a la reflexión espacial como al cambio de dirección del tiempo. Sin embargo, obedecen a una simetría más complicada que incluye a ambos). [ cita requerida ]
En el libro de 1928 La naturaleza del mundo físico , que ayudó a popularizar el concepto, Eddington afirmó:
Dibujemos una flecha arbitrariamente. Si a medida que la seguimos encontramos cada vez más elementos aleatorios en el estado del mundo, entonces la flecha apunta hacia el futuro; si el elemento aleatorio disminuye, la flecha apunta hacia el pasado. Esta es la única distinción conocida en física . Esto se deduce inmediatamente si se admite nuestra afirmación fundamental de que la introducción de la aleatoriedad es lo único que no se puede deshacer. Utilizaré la frase "flecha del tiempo" para expresar esta propiedad unidireccional del tiempo que no tiene análogo en el espacio.
Eddington luego da tres puntos a tener en cuenta sobre esta flecha:
Una flecha mental relacionada surge porque uno tiene la sensación de que su percepción es un movimiento continuo desde el pasado conocido hacia el futuro desconocido. Este fenómeno tiene dos aspectos: memoria (recordamos el pasado pero no el futuro) y volición (sentimos que podemos influir en el futuro pero no en el pasado). Los dos aspectos son una consecuencia de la flecha causal del tiempo: los eventos pasados (pero no los eventos futuros) son la causa de nuestros recuerdos presentes, a medida que se forman más y más correlaciones entre el mundo exterior y nuestro cerebro (ver correlaciones y la flecha del tiempo ); y nuestras voliciones y acciones presentes son causas de eventos futuros. Esto se debe a que se piensa que el aumento de la entropía está relacionado con el aumento tanto de las correlaciones entre un sistema y su entorno [4] como de la complejidad general, bajo una definición apropiada; [5] por lo tanto, todo aumenta junto con el tiempo.
El pasado y el futuro también se asocian psicológicamente con nociones adicionales. El inglés , junto con otros idiomas, tiende a asociar el pasado con “detrás” y el futuro con “adelante”, con expresiones como “to look forward to welcome you”, “to look back to the good old times”, o “to be years ahead”. Sin embargo, esta asociación de “detrás ⇔ pasado” y “adelante ⇔ futuro” está determinada culturalmente. [6] Por ejemplo, la lengua aymara asocia “adelante ⇔ pasado” y “detrás ⇔ futuro” tanto en términos de terminología como de gestos, correspondiendo al pasado observado y al futuro no observado. [7] [8] De manera similar, el término chino para "el día después de mañana" 後天 ("hòutiān") significa literalmente "después (o detrás) del día", mientras que "el día antes de ayer" 前天 ("qiántiān") es literalmente "día anterior (o en frente)", y los hablantes chinos espontáneamente gesticulan hacia adelante para el pasado y hacia atrás para el futuro, aunque hay hallazgos contradictorios sobre si perciben que el ego está delante o detrás del pasado. [9] [10] No hay idiomas que coloquen el pasado y el futuro en un eje izquierda-derecha (por ejemplo, no hay una expresión en inglés como *la reunión se trasladó a la izquierda ), aunque al menos los hablantes de inglés asocian el pasado con la izquierda y el futuro con la derecha, lo que parece tener su origen en el sistema de escritura de izquierda a derecha. [6]
Las palabras "ayer" y "mañana" se traducen a la misma palabra en hindi : कल ("kal"), [11] que significa "[un] día remoto a partir de hoy". [12] La ambigüedad se resuelve mediante el tiempo verbal. परसों ("párroco") se usa tanto para "anteayer" como para "pasado mañana", o "dos días a partir de hoy". [13]
तरसों ("tarson") se usa para "tres días a partir de hoy" [14] y नरसों ("narson") se usa para "cuatro días a partir de hoy".
El otro lado del paso psicológico del tiempo se encuentra en el ámbito de la voluntad y la acción. Planificamos y a menudo ejecutamos acciones destinadas a afectar el curso de los acontecimientos en el futuro. Del Rubaiyat :
El dedo en movimiento escribe y, después de escribir,
sigue adelante: ni toda tu piedad ni tu ingenio
podrán inducirlo a cancelar media línea,
ni todas tus lágrimas borrarán una sola palabra.— Omar Khayyam (traducción de Edward Fitzgerald ).
En junio de 2022, los investigadores informaron [15] en Physical Review Letters que descubrieron que las salamandras demostraban respuestas contraintuitivas a la flecha del tiempo en la forma en que sus ojos percibían diferentes estímulos. [ aclaración necesaria ]
La flecha del tiempo es la "dirección unidireccional" o "asimetría" del tiempo. La flecha termodinámica del tiempo la proporciona la segunda ley de la termodinámica , que dice que en un sistema aislado, la entropía tiende a aumentar con el tiempo. La entropía puede considerarse como una medida del desorden microscópico; por lo tanto, la segunda ley implica que el tiempo es asimétrico con respecto a la cantidad de orden en un sistema aislado: a medida que un sistema avanza en el tiempo, se vuelve más desordenado estadísticamente. Esta asimetría se puede utilizar empíricamente para distinguir entre el futuro y el pasado, aunque medir la entropía no mide con precisión el tiempo. Además, en un sistema abierto, la entropía puede disminuir con el tiempo.
El físico británico Sir Alfred Brian Pippard escribió: "No hay, pues, justificación para la opinión, a menudo repetida con ligereza, de que la Segunda Ley de la Termodinámica sólo es cierta estadísticamente, en el sentido de que se producen violaciones microscópicas repetidamente, pero nunca violaciones de una magnitud grave. Por el contrario, nunca se ha presentado ninguna prueba de que la Segunda Ley se rompa bajo ninguna circunstancia". [16] Sin embargo, hay una serie de paradojas [¿ cuáles? ] en relación con la violación de la segunda ley de la termodinámica , una de ellas debida al teorema de recurrencia de Poincaré .
Esta flecha del tiempo parece estar relacionada con todas las demás flechas del tiempo y podría decirse que subyace a algunas de ellas, con la excepción de la flecha débil del tiempo. [ aclaración necesaria ]
El libro de Harold Blum de 1951 La flecha del tiempo y la evolución [17] analiza "la relación entre la flecha del tiempo (la segunda ley de la termodinámica) y la evolución orgánica ". Este influyente texto explora " la irreversibilidad y la dirección en la evolución y el orden, la negentropía y la evolución ". [18] Blum sostiene que la evolución siguió patrones específicos predeterminados por la naturaleza inorgánica de la tierra y sus procesos termodinámicos. [19]
La flecha cosmológica del tiempo apunta en la dirección de la expansión del universo. Puede estar vinculada a la flecha termodinámica , con el universo encaminándose hacia una muerte térmica (Gran Enfriamiento) a medida que la cantidad de energía libre termodinámica se vuelve insignificante. Alternativamente, puede ser un artefacto de nuestro lugar en la evolución del universo (ver el sesgo antrópico ), con esta flecha invirtiéndose a medida que la gravedad empuja todo de nuevo hacia un Gran Crunch .
Si esta flecha del tiempo se relaciona con las demás flechas del tiempo, entonces el futuro es, por definición, la dirección hacia la que el universo se hace más grande. Por lo tanto, el universo se expande, en lugar de contraerse, por definición.
Se cree que la flecha termodinámica del tiempo y la segunda ley de la termodinámica son una consecuencia de las condiciones iniciales del universo primitivo. [20] Por lo tanto, en última instancia resultan de la configuración cosmológica.
Las ondas, desde las ondas de radio hasta las ondas sonoras y las que se forman en un estanque al arrojar una piedra, se expanden hacia afuera desde su fuente, aunque las ecuaciones de onda admiten soluciones tanto de ondas convergentes como de ondas radiativas. Esta flecha se ha invertido en experimentos cuidadosamente elaborados que crearon ondas convergentes, [21] por lo que esta flecha probablemente se deriva de la flecha termodinámica en el sentido de que cumplir las condiciones para producir una onda convergente requiere más orden que las condiciones para una onda radiativa. Dicho de otro modo, la probabilidad de que se den las condiciones iniciales para producir una onda convergente es mucho menor que la probabilidad de que se den las condiciones iniciales para producir una onda radiativa. De hecho, normalmente una onda radiativa aumenta la entropía, mientras que una onda convergente la disminuye, [ cita requerida ] lo que hace que esta última sea contradictoria con la segunda ley de la termodinámica en circunstancias habituales.
Una causa precede a su efecto: el acontecimiento causal ocurre antes del acontecimiento que causa o afecta. El nacimiento, por ejemplo, sigue a una concepción exitosa y no al revés. De modo que la causalidad está íntimamente ligada a la flecha del tiempo.
Un problema epistemológico que plantea el uso de la causalidad como flecha del tiempo es que, como sostenía David Hume , la relación causal en sí no puede percibirse; sólo se perciben secuencias de acontecimientos. Además, resulta sorprendentemente difícil ofrecer una explicación clara de lo que significan realmente los términos causa y efecto, o definir los acontecimientos a los que se refieren. Sin embargo, parece evidente que la caída de un vaso de agua es una causa, mientras que el vaso que posteriormente se hace añicos y derrama el agua es el efecto.
Físicamente hablando, se cree que las correlaciones entre un sistema y su entorno aumentan con la entropía, y se ha demostrado que son equivalentes a ella en un caso simplificado de un sistema finito que interactúa con el medio ambiente. [4] La suposición de una entropía inicial baja es de hecho equivalente a suponer que no hay correlaciones iniciales en el sistema; por lo tanto, las correlaciones solo se pueden crear a medida que avanzamos en el tiempo, no hacia atrás. Controlar el futuro , o hacer que algo suceda, crea correlaciones entre el hacedor y el efecto, [22] y, por lo tanto, la relación entre causa y efecto es un resultado de la flecha termodinámica del tiempo, una consecuencia de la segunda ley de la termodinámica. [23] De hecho, en el ejemplo anterior de la taza que cae, las condiciones iniciales tienen un orden alto y una entropía baja, mientras que el estado final tiene altas correlaciones entre partes relativamente distantes del sistema: los pedazos rotos de la taza, así como el agua derramada y el objeto que causó la caída de la taza.
La evolución cuántica está gobernada por ecuaciones de movimientos que son simétricas en el tiempo (como la ecuación de Schrödinger en la aproximación no relativista), y por el colapso de la función de onda , que es un proceso irreversible en el tiempo, y es real (según la interpretación de Copenhague de la mecánica cuántica ) o sólo aparente (según la interpretación de los muchos mundos y la interpretación de la mecánica cuántica relacional ).
La teoría de la decoherencia cuántica explica por qué el colapso de la función de onda ocurre de manera asimétrica en el tiempo debido a la segunda ley de la termodinámica, derivando así la flecha cuántica del tiempo de la flecha termodinámica del tiempo . En esencia, después de cualquier dispersión de partículas o interacción entre dos sistemas más grandes, las fases relativas de los dos sistemas están al principio ordenadamente relacionadas, pero las interacciones posteriores (con partículas o sistemas adicionales) las hacen menos así, de modo que los dos sistemas se vuelven decoherentes. Por lo tanto, la decoherencia es una forma de aumento del desorden microscópico; en resumen, la decoherencia aumenta la entropía. Dos sistemas decoherentes ya no pueden interactuar mediante superposición cuántica , a menos que se vuelvan coherentes nuevamente, lo que normalmente es imposible, por la segunda ley de la termodinámica. [24] En el lenguaje de la mecánica cuántica relacional, el observador se enreda con el estado medido, donde este enredo aumenta la entropía. Como afirmó Seth Lloyd , "la flecha del tiempo es una flecha de correlaciones crecientes". [25] [26]
Sin embargo, en circunstancias especiales, se pueden preparar condiciones iniciales que provoquen una disminución de la decoherencia y de la entropía. Esto se ha demostrado experimentalmente en 2019, cuando un equipo de científicos rusos informó de la inversión de la flecha cuántica del tiempo en un ordenador cuántico de IBM , en un experimento que apoya la comprensión de que la flecha cuántica del tiempo surge de la termodinámica. [27] Al observar el estado del ordenador cuántico formado por dos y más tarde tres qubits superconductores , descubrieron que en el 85% de los casos, el ordenador de dos qubits volvía al estado inicial. [28] La inversión del estado se realizó mediante un programa especial, de forma similar a la fluctuación aleatoria del fondo de microondas en el caso del electrón . [28] Sin embargo, según las estimaciones, a lo largo de la edad del universo (13.700 millones de años), tal inversión del estado del electrón solo ocurriría una vez, durante 0,06 nanosegundos . [28] El experimento de los científicos condujo a la posibilidad de un algoritmo cuántico que invierte un estado cuántico dado a través de la conjugación compleja del estado. [27]
Cabe señalar que la decoherencia cuántica simplemente permite el proceso de colapso de ondas cuánticas; es un tema de discusión si el colapso en sí mismo realmente ocurre o es redundante y solo aparente. Sin embargo, dado que la teoría de la decoherencia cuántica es ahora ampliamente aceptada y ha sido apoyada experimentalmente, esta disputa ya no puede considerarse relacionada con la cuestión de la flecha del tiempo. [24]
Ciertas interacciones subatómicas que involucran la fuerza nuclear débil violan la conservación de la paridad y la conjugación de carga , pero sólo en muy raras ocasiones. Un ejemplo es la desintegración de kaones . [29] Según el teorema CPT , esto significa que también deberían ser irreversibles en el tiempo y, por lo tanto, establecer una flecha del tiempo. Tales procesos deberían ser responsables de la creación de materia en el universo temprano.
El hecho de que la combinación de paridad y conjugación de carga se rompa tan raramente significa que esta flecha sólo "apenas" apunta en una dirección, lo que la distingue de las otras flechas cuya dirección es mucho más obvia. Esta flecha no había sido vinculada a ningún comportamiento temporal a gran escala hasta el trabajo de Joan Vaccaro , quien demostró que la violación de T podría ser responsable de las leyes de conservación y la dinámica. [30]