La flecha del tiempo , también llamada flecha del tiempo , es el concepto que postula la "dirección unidireccional" o " asimetría " del tiempo . Fue desarrollado 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 ciertas. 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 acontecimientos reales parecería realista tanto si se reproduce 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 detiene y cae es un caso en el que las grabaciones parecerían igualmente realistas hacia adelante y hacia atrás. El sistema es simétrico en T. Sin embargo, el proceso por el cual la pelota rebota y finalmente se detiene 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 entropía creciente, 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 isotrópicas , cerca de la Tierra existe 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 ), existe una distinción obvia entre "hacia adelante" y "hacia atrás" en el tiempo. debido a la relativa proximidad a este evento especial, que rompe la simetría del tiempo. Desde este punto de vista, todas las flechas del tiempo son el resultado de nuestra relativa proximidad en el tiempo al Big Bang y las circunstancias especiales que existieron entonces. (Estrictamente hablando, las interacciones débiles son asimétricas tanto para la reflexión espacial como para el cambio de dirección del tiempo. Sin embargo, obedecen a una simetría más complicada que incluye ambos).
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 seguimos la flecha encontramos más y 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. Ésa es la única distinción conocida por la física . Esto se sigue 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 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 cada vez más correlaciones entre el mundo exterior y nuestro cerebro (ver correlaciones y la flecha del tiempo). tiempo ); y nuestras voliciones y acciones presentes son causas de eventos futuros. Esto se debe a que se cree que el aumento de 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 adecuada; [5] así, todos aumentan junto con el tiempo.
El pasado y el futuro también están psicológicamente asociados con nociones adicionales. El inglés , junto con otras lenguas, tiende a asociar el pasado con "detrás" y el futuro con "adelante", con expresiones como "esperar darte la bienvenida", "mirar atrás, a los buenos viejos tiempos", o " años de antelación". 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, correspondientes al pasado observado y al futuro no observado. [7] [8] De manera similar, el término chino para "pasado mañana" 後天 ("hòutiān") significa literalmente "después (o detrás) del día", mientras que "anteayer" 前天 ("qiántiān") es literalmente "el día anterior (o al frente)", y los hablantes de chino espontáneamente hacen gestos delante para el pasado y detrás 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 ninguna expresión en inglés como *la reunión se movió a la izquierda ), aunque al menos los angloparlantes asocian el el pasado con la izquierda y el futuro con la derecha. [6]
Las palabras "ayer" y "mañana" se traducen como la misma palabra en hindi : कल ("kal"), [11] que significa "[un] día alejado de hoy". [12] La ambigüedad se resuelve mediante el tiempo verbal. परसों ("párroco") se usa tanto para "anteayer" como para "pasado mañana", o "dentro de dos días". [13]
तरसों ("tarson") se usa para "dentro de tres días" [14] y नरसों ("narson") se usa para "dentro de cuatro días".
El otro lado del paso psicológico del tiempo está 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, habiendo escrito,
sigue adelante: ni toda tu piedad ni tu ingenio.
Lo atraerás de regreso para cancelar media Línea,
Ni todas tus Lágrimas borrarán una Palabra de ella.— Omar Khayyam (traducción de Edward Fitzgerald ).
En junio de 2022, los investigadores informaron [15] en Physical Review Letters sobre el hallazgo de que las salamandras demostraban respuestas contraintuitivas a la flecha del tiempo en la forma en que sus ojos percibían diferentes estímulos. [ se necesita aclaración ]
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. Se puede considerar la entropía como una medida del desorden microscópico; así, 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 futuro y pasado, aunque medir la entropía no mide el tiempo con precisión. Además, en un sistema abierto, la entropía puede disminuir con el tiempo.
El físico británico Sir Alfred Brian Pippard escribió: "Por lo tanto, no hay 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 ocurren repetidamente violaciones microscópicas, pero nunca violaciones de magnitud grave. Por el contrario, nunca se ha presentado ninguna prueba de que la Segunda Ley incumpla bajo ninguna circunstancia." [16] Sin embargo, hay una serie de paradojas [ ¿cuáles? ] respecto a 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 débil flecha del tiempo. [ se necesita aclaración ]
El libro de Harold Blum de 1951 Time's Arrow and Evolution [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 relacionado con la flecha termodinámica , con el universo dirigiéndose hacia una muerte por calor (Big Chill) 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 cuando la gravedad empuja todo hacia un Big Crunch .
Si esta flecha del tiempo está relacionada con las otras flechas del tiempo, entonces el futuro es, por definición, la dirección hacia la cual el universo se hace más grande. Por 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 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 producen en un estanque al arrojar una piedra, se expanden hacia afuera desde su fuente, aunque las ecuaciones de ondas se adaptan tanto a soluciones de ondas convergentes como a 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 otra manera, la probabilidad de que las condiciones iniciales produzcan una onda convergente es mucho menor que la probabilidad de que las condiciones iniciales produzcan una onda radiativa. De hecho, normalmente una onda radiativa aumenta la entropía, mientras que una onda convergente la disminuye, [ cita necesaria ] haciendo que esta última contradiga la segunda ley de la termodinámica en circunstancias habituales.
Una causa precede a su efecto: el evento causal ocurre antes del evento que causa o afecta. El nacimiento, por ejemplo, sigue a una concepción exitosa y no al revés. Así, la causalidad está íntimamente ligada a la flecha del tiempo.
Un problema epistemológico al utilizar la causalidad como una flecha del tiempo es que, como sostuvo David Hume , la relación causal per se no puede percibirse; uno sólo percibe secuencias de eventos. Además, resulta sorprendentemente difícil proporcionar una explicación clara de lo que realmente significan los términos causa y efecto, o definir los acontecimientos a los que se refieren. Sin embargo, parece evidente que dejar caer un vaso de agua es una causa, mientras que el vaso se rompe posteriormente y se derrama el agua como 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 entorno. [4] El supuesto de una entropía inicial baja equivale de hecho a suponer que no hay correlaciones iniciales en el sistema; por lo tanto, las correlaciones sólo pueden crearse 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 el 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 caída de la copa, las condiciones iniciales tienen alto orden y baja entropía, mientras que el estado final tiene altas correlaciones entre partes relativamente distantes del sistema: los pedazos rotos de la copa, así como los agua derramada y el objeto que hizo caer la taza.
La evolución cuántica se rige 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 (por la interpretación de 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 a partir de la flecha termodinámica del tiempo . En esencia, después de cualquier dispersión o interacción de partículas entre dos sistemas más grandes, las fases relativas de los dos sistemas al principio están ordenadamente relacionadas, pero las interacciones posteriores (con partículas o sistemas adicionales) lo hacen menos, de modo que los dos sistemas se vuelven decoherentes. Por 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 vuelvan a ser coherentes, 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 entrelazamiento aumenta la entropía. Como afirma 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 provocarán una disminución de la decoherencia y de la entropía. Esto se demostró experimentalmente en 2019, cuando un equipo de científicos rusos informó de la inversión de la flecha cuántica del tiempo en una computadora cuántica de IBM , en un experimento que respalda la comprensión de que la flecha cuántica del tiempo emerge de la termodinámica. [27] Al observar el estado de la computadora cuántica compuesta por dos y luego tres qubits superconductores , descubrieron que en el 85% de los casos, la computadora de dos qubits volvía al estado inicial. [28] La inversión del estado se realizó mediante un programa especial, de manera 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 (13,7 mil 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 invierta un estado cuántico determinado mediante una conjugación compleja del estado. [27]
Tenga en cuenta que la decoherencia cuántica simplemente permite el proceso de colapso de las ondas cuánticas; Es motivo de controversia si el colapso en sí se produce realmente o si es redundante y sólo aparente. Sin embargo, dado que la teoría de la decoherencia cuántica ahora es ampliamente aceptada y ha sido respaldada 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 tanto de la paridad como de la conjugación de carga , pero sólo en muy raras ocasiones. Un ejemplo es la desintegración del kaon . [29] Según el teorema CPT , esto significa que también deberían ser irreversibles en el tiempo y, por lo tanto, establecer una flecha del tiempo. Estos procesos deberían ser responsables de la creación de materia en el universo primitivo.
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 se había relacionado con 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 y dinámicas de conservación. [30]