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Universos y Multiverso 5 - por Daniel Aníbal Galatro


¡Hola, amigos!

Creo que estas reuniones a las que hemos invitado, sin que lo supiesen ni antes ni después, a científicos y pensadores destacados de estos tiempos, están dando muy buenos frutos. Al menos, en mi caso particular, lo que comenzó con un extraño sueño y se convirtió en un comienzo de recorrido por paisajes ideales que buscan explicar universos reales marcó hace apenas unos días la justificación de no menos de cincuenta años de estudio aún cuando no significaron igual volumen de aprendizaje.

"Por ese afán de querer saberlo todo vas a terminar no sabiendo nada", me solían decir. Y en cierto modo tenían razón. Ese afán de querer saberlo todo me condujo a un hoy en el que creo haber descubierto que no hay una meta para el conocimiento sino múltiples piezas ocultas de un rompecabezas infinito. La curiosidad me sigue llevando por los más variados caminos para cada tanto encontrar una pieza más y con las que voy hallando poder imaginar un poco más acertadamente cómo parecería ser el rompecabezas completo, que nunca conoceré demasiado.

Hoy trataremos un tema apasionante: el tiempo.

Según comenta Eduardo Martínez, editor de Tendencias21, el tiempo es una cultura, y la historia del tiempo sigue abierta a nuevas interpretaciones. Esto nos permite comprender que el tiempo es una cultura que evoluciona con nuestros conocimientos.

Por tratarse de un tema más que extenso, voy a prologarlo con una revisión al vuelo de las diferentes concepciones que se aplicaron al "tiempo" a lo largo de la Historia.

Tenemos que remontarnos a la Edad Antigua para encontrar las primeras reflexiones humanas sobre el tiempo. Platón decía que el tiempo es la imagen móvil de la eternidad. Reflejaba el debate de la época entre el tiempo subjetivo (el de cada persona), el tiempo objetivo (cronos o duración de los acontecimientos), y el concepto de eternidad (tiempo inmortal y divino, sin principio ni fin) introducido por Aristóteles.

Las unidades de tiempo más corrientes, como las diferentes épocas del año, o el día y la noche, contribuyeron a introducir en la cultura de nuestros antepasados la mentalidad cíclica asociada a tales fenómenos. Un ciclo sigue al otro en un proceso infinito, cada época no es sino una parte del todo.

Para esta mentalidad cíclica, repetitiva, sin ilusión ni creatividad, el tiempo humano es tan exacto como el del entorno, sin opción a variaciones deliberadas. Todo se considera condicionado por el destino.

Desde estos primeros momentos, la cultura del tiempo combina los elementos objetivo y subjetivo, así como la dimensión de eternidad, en un conjunto de ideas integradoras en las que se entremezclan los ciclos del entorno, las percepciones temporales de cada persona y la noción de que el tiempo se opone a eternidad: según Platón, el tiempo que pasa es la manifestación de una Presencia que no pasa.

La relación entre tiempo y movimiento la señala por vez primera Aristóteles, cuando establece: el tiempo es el número (la medida) del movimiento según el antes y el después. El ser que mide es, para Aristóteles, la conciencia interna del tiempo. Sin embargo, no llega a explicar qué es lo que señala el antes y el después.

Aunque algunos pensadores de la Antigüedad, como Estratón, consideran que el tiempo es una realidad completa en sí misma, otros, como Aristóteles, prefieren concebirlo más bien como una relación, aunque sin llegar a definirlo como exclusivamente subjetivo. Considera que el tiempo es desde siempre una gran paradoja: parte del tiempo es pasado y ya no existe, y la otra parte es futuro y no existe todavía, reflexiona Aristóteles.

San Agustín enfatiza la percepción subjetiva: el alma y no los cuerpos es la verdadera medida del tiempo.

Un salto esencial en la interpretación del tiempo se produce gracias a los profetas del judaísmo, que rompen con la idea del eterno retorno y rechazan la noción de destino implantada por los griegos.
La persona ya no es considerada prisionera de los ciclos y de la fatalidad, sino que se encuentra en peregrinación hacia el futuro y espera con intensidad el próximo cambio del mundo. Es la idea del tiempo lineal, que se contrapone a la idea del tiempo cíclico.

En la época moderna, el tiempo es percibido, bien como realidad absoluta (una realidad completa en sí misma), bien como propiedad de las cosas o también como relación, como decía Aristóteles. El denominador común es la descripción del tiempo como algo continuo, ilimitado, de una sola dirección y dimensión, homogéneo y fluyendo siempre del mismo modo.

Newton profundiza en esta descripción y establece el tiempo como algo absoluto, verdadero y matemático, que transcurre uniformemente. Para Newton el tiempo es sólo una magnitud, una unidad de medida, puesto que en un mundo en movimiento no hay lugar para el presente. Considera que la historia cósmica está ya escrita. El tiempo se inscribe en el espacio, el pasado y el futuro están escritos en el instante presente para el que sepa leerlos.

En la primera mitad del siglo XX, la teoría de la Relatividad Especial de Einstein establece la unión del tiempo y el espacio en un nuevo concepto que evoca a Aristóteles. Hace 2.200 años, Aristóteles afirmó que el tiempo tiene que ser movimiento, uniendo así dos conceptos relacionados entre sí pero que se nos presentaban separados, diferentes.

Einstein establece una revolución conceptual parecida cuando señala que el tiempo es la cuarta dimensión de la realidad. Los objetos no sólo tienen longitud, altura y profundidad, sino que además están inmersos en un proceso temporal inevitable que tiene tanta importancia como las otras tres dimensiones físicas. Espacio y tiempo no son independientes, como tampoco lo son las tres dimensiones del espacio. Seguimos necesitando las cuatro dimensiones para determinar la posición de un hecho, pues no existe el mismo tiempo para diferentes observadores.

Algunos físicos consideran incluso al espacio-tiempo como la matriz de toda la realidad. De hecho, el espacio y el tiempo aparecieron simultáneamente en la evolución del Universo.

La física actual se plantea además que el tiempo puede estar formado por partículas elementales que, al igual que los objetos materiales, percibimos como algo continuo y fluyente a nivel macrofísico (es decir, en la vida cotidiana), pero que, a nivel microfísico (que sólo podemos percibir en el laboratorio), es granulado (está formado por partículas) e irregular (porque tiene periodos de diferentes proporciones). Si esto es así, la misma dualidad onda-partícula aplicable a la luz, valdría también para el tiempo.

Para Einstein la distinción entre pasado, presente y futuro es sólo una ilusión, por persistente que ésta sea. Esta afirmación choca con el sentido común, que nos indica que el tiempo es tan real como la materia y el espacio. Pero, aseguran otros, el sentido común es sólo el conocimiento adquirido por la especie que ha resultado útil en determinados períodos históricos, pero no necesariamente sinónimo de verdad. ¿Es el tiempo una cultura, una ilusión de la especie?

Newton se pensaba que existía un presente universal: dos acontecimientos pueden ocurrir al mismo tiempo en dos lugares diferentes. Sin embargo, la Teoría de la Relatividad establece que no existe ningún momento que tenga validez universal: dos acontecimientos pueden ocurrir simultáneamente para un observador, pero otro observador que se mueva respecto al primero de ellos percibirá esos dos acontecimientos sucesivamente, no al mismo tiempo.

En la vida cotidiana, donde las distancias y las velocidades son demasiado pequeñas para apreciar la Relatividad, no ocurren estas cosas, sin embargo acontecimientos que tienen lugar en lugares muy alejados entre sí pueden estar en el pasado para un observador y en el futuro para otro.

Bertrand Russel afirma al respecto que el orden-tiempo de los acontecimientos depende en parte del observador. Si el concepto de presente es una cuestión meramente personal y sólo tiene significado para el marco de referencia en el que se encuentra el observador, resulta insensato dividir ordenadamente el tiempo en pasado, presente y futuro. La estructuración de los acontecimientos en pasado, presente y futuro no deja de ser una construcción mental sin ningún significado para las ciencias naturales, lo que explica la ilusión a la que se refería Einstein.

El mundo no sucede, simplemente existe, dice el matemático Herman Weyl. La flecha del tiempo la ponemos nosotros. Somos los arqueros que permiten que el Universo tenga una historia con pasado, presente y futuro.

La direccionalidad del tiempo impregna todo el Universo y es la que establece el principio básico de causalidad, origen de cada uno de nosotros. Casi todos los físicos están convencidos de que la causalidad es una ley inviolable de la naturaleza, pero a decir verdad carecen de una demostración que así lo pruebe. No existe en realidad nada en las leyes de la física que exija que la causalidad sea verdadera... La ley de causalidad no es más que la concepción vulgar del tiempo expresada en jerga científica.

Según la Relatividad nosotros somos el tiempo del Universo.

El tiempo irreversible no es una ilusión. El hombre forma parte de esta corriente de irreversibilidad que es uno de los elementos esenciales, constitutivos, del universo.

Las grandes líneas de la historia del universo están hechas de una dialéctica entre la gravitación y la termodinámica.

Para la nueva ciencia del calor, los sistemas disipan energía, son irreversibles y evolucionan hacia el desorden. La evidencia que se desprende de la termodinámica es que, lejos del equilibrio, la materia desarrolla nuevas propiedades: sensibilidad a influencias del entorno, posibilidad de estados múltiples, historicidad de las elecciones adoptadas por los sistemas (se crean nuevos estados irreversibles).

Una de las consecuencias de la termodinámica es que el tiempo no puede ser subjetivo, como sugiere la física de partículas. Según la física del calor, la irreversibilidad es la base de la mecánica cuántica, de la mecánica clásica y de la relatividad, por lo que ya no podemos considerar el tiempo como una aproximación: la relatividad general no da sentido a la irreversibilidad y no puede explicar la gigantesca producción de entropía que caracterizó el nacimiento de nuestro universo.

Según la termodinámica todo discurre realmente del pasado al presente y del presente al futuro de manera inevitable e irreversible.

La inestabilidad, las fluctuaciones y la irreversibilidad, cualidades que descubre la termodinámica, desempeñan un papel en todos los niveles de la naturaleza: la química, la ecología, la climatología, la biología y la cosmología. Desde esta perspectiva, el universo surge de una inestabilidad (no de una singularidad, como expone la teoría del Big Bang), que crea simultáneamente materia y entropía.

Nuestro universo es el resultado de una transformación irreversible y proviene de otro estado físico, no del vacío cuántico. En consecuencia, el universo no está condenado a la extinción, como expone la teoría clásica, sino que puede renacer si la inestabilidad original se llega a reproducir. En el vacío cuántico el tiempo existía en estado potencial.

La física de los sistemas alejados del equilibrio aporta otra novedad: el azar introducido por la física en la mecánica cuántica no se limita al nivel de las partículas elementales, sino que es también una propiedad de la materia a nivel macroscópico, de los sistemas observados por la termodinámica. A nuevos estados físicos de la materia le corresponden nuevos comportamientos.

El universo no sólo no se degrada, sino que aumenta en complejidad con nuevas estructuras que emergen en las estrellas, las galaxias y los sistemas biológicos. El desorden no es sinónimo de caos, sino de reorganización e incremento de la complejidad de los sistemas. Los desarrollos recientes de la termodinámica nos proponen un universo en el que el tiempo no es ilusión ni disipación, sino creación.

Estas reflexiones nos señalan que el debate iniciado por Platón se prolonga todavía, que continuamos viviendo, compartiendo e inventando la historia del tiempo en una persistente especulación metafísica. Sin embargo, al igual que ocurre con nuestras facultades superiores, seguimos sin saber exactamente lo que es el tiempo. Uno de los mayores condicionantes de nuestra existencia, de nuestro conocimiento, de nuestra percepción y de nuestra cultura, es también uno de nuestros mayores misterios.

La vida nos desborda y conduce por senderos en los que el tiempo emerge más como una cultura que evoluciona con nuestros conocimientos, que como uno de los fundamentos metafísicos del mundo real.

Esto es lo que podemos aprender de la historia del tiempo, que sigue abierta a nuevas interpretaciones porque es una historia que construimos nosotros con nuestras inquietudes, investigaciones y reflexiones. Las culturas no son inmutables, sino el vehículo para la creación consciente y constante de estructuras de realidad y, por ello, de futuros probables.

He convocado para un nuevo paseo por el tema a un grupo de científicos italianos. Les presento a Ekaterina Moreva, Giorgio Brida, Marco Gramegna, Vittorio Giovannetti, Lorenzo Maccone y Marco Genovese. Ellos difundieron un estudio acerca de investigaciones acerca del tiempo realizadas con un modelo de universo formado sólo por dos fotones cuánticamente entrelazados. Un universo “de juguete”, como lo llama Yaiza Martínez, escritora, periodista y directora de "Tendencias 21", que revela que el tiempo es una ilusión.

Tómense de sus asientos porque vamos a recorrer un tramo de camino sumamente agitado.

Y comenzaremos partiendo del llamado "entrelazamiento cuántico" predicho por Einstein, Podolsky y Rosen en 1935. ¿Qué expresaron estos caballeros?

Diez años antes, un físico llamado Werner Heisenberg había expresado su "principio de incertidumbre" en el que afirmaba que, en términos de mecánica cuántica, no se puede determinar simultáneamente y con precisión arbitraria ciertos pares de variables físicas. Por ejemplo, no podemos saber al mismo tiempo la posición y la cantidad de movimiento de una partícula.

Expresado en forma simple, si queremos saber dónde está un determinado electrón debemos detener su movimiento y no sabremos su masa y su velocidad. Si deseamos conocer la masa y la velocidad de ese electrón, estará continuamente moviéndose y cambiando su posición.

Ese principio marca una de las diferencias fundamentales entre la física clásica y la física cuántica. En la tradicional no existe un principio parecido mientras que en la cuántica se toma como una consecuencia de los axiomas corrientes en ella. La palabra "axioma" significa «lo que parece justo» o, que se le considera evidente, sin necesidad de demostración. Entre los filósofos griegos antiguos, un axioma era lo que parecía verdadero sin necesidad de prueba alguna.

En 1935, Einstein y sus amigos transformaron ese axioma en una paradoja. Una "paradoja" es una idea extraña opuesta a lo que se considera verdadero o a la opinión general. También se considera paradoja a una proposición en apariencia falsa o que infringe el sentido común, pero no conlleva una contradicción lógica, en contraposición a un "sofisma" que solo aparenta ser un razonamiento verdadero.

El término "entrelazamiento cuántico" fue introducido en ese mismo 1935 por nuestro conocido Erwin Schrödinger (el del famoso "gato") para describir un fenómeno de mecánica cuántica que se demuestra en los experimentos pero inicialmente no se comprendió bien su relevancia para la física teórica.

Un conjunto de partículas entrelazadas (en su término técnico en inglés: entangled) no pueden definirse como partículas individuales con estados definidos, sino sólo como un sistema con una función de onda única para todo el sistema.

El entrelazamiento es un fenómeno cuántico, sin equivalente clásico, en el cual los estados cuánticos de dos o más objetos se deben describir mediante un estado único que involucra a todos los objetos del sistema, aún cuando los objetos estén separados espacialmente. Esto lleva a correlaciones entre las propiedades físicas observables.

Por ejemplo, es posible enlazar dos partículas en un solo estado cuántico de espín (rotación) nulo, de forma que cuando se observe que una gira hacia arriba, la otra automáticamente recibirá una "señal" y se mostrará como girando hacia abajo, pese a la imposibilidad de predecir, según los postulados de la mecánica cuántica, qué estado cuántico se observará.

Esas fuertes correlaciones hacen que las medidas realizadas sobre un sistema parezcan estar influyendo instantáneamente otros sistemas que están enlazados con él, y sugieren que alguna influencia se tendría que estar propagando instantáneamente entre los sistemas, a pesar de la separación entre ellos.

No obstante, no parece que se pueda transmitir información clásica a velocidad superior a la de la luz mediante el entrelazamiento porque no se puede transmitir ninguna información útil a más velocidad que la de la luz.

Sólo es posible la transmisión de información usando un conjunto de estados entrelazados en conjugación con un canal de información clásico, también llamado teleportación cuántica. Mas, por necesitar de ese canal clásico, la información útil no podrá superar la velocidad de la luz.

El entrelazamiento cuántico fue en un principio planteado por Einstein, Podolsky y Rosen como un argumento en contra de la mecánica cuántica, en particular con vistas a probar su incompletitud puesto que se puede demostrar que las correlaciones predichas por la mecánica cuántica son inconsistentes con el principio del realismo local, que dice que cada partícula debe tener un estado bien definido, sin que sea necesario hacer referencia a otros sistemas distantes.

Los sistemas físicos que sufren entrelazamiento cuántico son típicamente sistemas microscópicos (casi todos los que se conocen de hecho lo son), pues, según se entendía, esta propiedad se perdía en el ámbito macroscópico debido al fenómeno de la "decoherencia cuántica", que explica cómo un estado cuántico entrelazado puede dar lugar a un estado físico clásico (no entrelazado). En otras palabras cómo un sistema físico, bajo ciertas condiciones específicas, deja de exhibir efectos cuánticos y pasa a exhibir un comportamiento típicamente clásico, sin los efectos contraintuitivos típicos de la mecánica cuántica.
Por ejemplo en el caso del experimento imaginario del gato de Schrödinger, la interacción de las partículas del gato con el ambiente podrían producir una decoherencia y hacer que la combinación de "gato vivo" + "gato muerto" perdiera coherencia y se transformara en un estado clásico y por tanto tras un lapso de tiempo del orden de ħ² (10⁻⁶⁵ segundos) el gato estuviera dentro de la caja efectivamente vivo o muerto, pero no en una superposición de ambos. La decoherencia es pues muy importante para explicar por qué muchos sistemas físicos macroscópicos tienen un comportamiento tan diferente de los sistemas que exhiben efectos cuánticos.

Por 1980 se llegó a la conclusión de que la existencia del tiempo depende de la existencia de los relojes. Así el tiempo nace con el entrelazamiento cuántico.

La física moderna intenta fusionar las leyes de dos “universos”: el macrocoscópico, y el de las partículas atómicas y subatómicas. Actualmente, describe así la realidad a través de dos vías: la mecánica cuántica‎, que explica lo que sucede a escala microscópica; y la relatividad general, que da cuenta de lo que sucede en el resto del cosmos: a los planetas, a los agujeros negros, etc.
Pero ambas descripciones no terminan de combinar bien. Desde que las ideas de la mecánica cuántica se expandieron, a partir de la primera mitad del siglo XX, parece que son incompatibles.

A mediados de la década de los años 60 del siglo pasado, los físicos John Wheeler y Bryce DeWitt buscaron una solución a este dilema. Su ecuación resolvió uno de los problemas fundamentales de la combinatoria entre las dos interpretaciones de la realidad antes mencionadas, pero hizo emerger un segundo y muy serio problema: expresaba un universo estático, “sin tiempo”, algo que a todas luces no existe.

En 1983, los teóricos Don Page y William Wootters propusieron una solución a este segundo problema basada en el “entrelazamiento cuántico”: si tienes dos peces (o partículas) en un mismo charco y éstos se unen tan íntimamente que alcanzan un estado “entrelazado”, cuando pases uno de ellos a otra charca, ambos seguirán reaccionando de la misma manera, aunque ya no estén juntos. Así, si el primero es pescado, el segundo saltará igualmente fuera de su charca.

Este extraño comportamiento de las partículas subatómicas entrelazadas –al que Einstein denominó “acción fantasmal a distancia”- provoca que éstas no puedan definirse a partir del entrelazamiento como partículas individuales con estados definidos, sino como un sistema. El entrelazamiento cuántico hace que las partículas pasen a tener una “misma existencia”, a pesar de encontrarse espacialmente separadas.

Page y Wootters demostraron matemáticamente entonces cómo el entrelazamiento cuántico podía usarse para medir el tiempo. Su idea era que la manera en que un par de partículas entrelazadas evoluciona es un “reloj”, una medida del cambio o la evolución de éstas.

La medición a través del entrelazamiento podría hacerse de dos maneras, propusieron.

1- comparando los cambios en dos partículas entrelazadas con un reloj externo, independiente del universo donde esas partículas habitasen (algo así como un “observador-dios” o un "superobservador"). En este caso, las partículas aparecerían completamente inalterables (como si el tiempo, en este escenario, no existiera).

2 - medir el cambio o la evolución “desde dentro”. Un observador situado dentro del universo de las partículas entrelazadas compararía su evolución con el resto del cosmos. Esa evolución constituiría una importante medida del tiempo.

Por primera vez, un equipo de científicos ha conseguido poner a prueba las teorías matemáticas sobre la medida del tiempo de Page y Wootters en un sistema físico “de juguete”, es decir, compuesto sólo por dos fotones.

Recordemos que, en física moderna, el fotón es la partícula elemental responsable de las manifestaciones cuánticas del fenómeno electromagnético. Es la partícula portadora de todas las formas de radiación electromagnética, incluyendo los rayos gamma, los rayos X, la luz ultravioleta, la luz visible (espectro electromagnético), la luz infrarroja, las microondas y las ondas de radio. El fotón tiene una masa invariante cero, y viaja en el vacío con una velocidad constante . Como todos los cuantos, el fotón presenta tanto propiedades corpusculares como ondulatorias.
Para la luz visible, la energía portada por un fotón es de alrededor de 4×10–19 julios; esta energía es suficiente para excitar un ojo y dar lugar a la visión.

Además de energía, los fotones llevan también asociado un momento lineal y tienen una polarización. Siguen las leyes de la mecánica cuántica, lo que significa que a menudo estas propiedades no tienen un valor bien definido para un fotón dado.

Volvamos a Italia, y a nuestros científicos invitados. El experimento que analizaron fue hecho de la siguiente forma:

Por un lado, los científicos, del Instituto Nacional de Investigación Meteorológica de Turín, en Italia, midieron el sistema de ambos fotones entrelazados desde “fuera” del universo de éstos, como haría un observador externo (el superobservador).
Por otro, usaron uno de los dos fotones entrelazados a modo de “observador” del otro fotón o como “reloj”. Con éste midieron el estado (la polarización u orientación vertical u horizontal) del segundo fotón, mientras ambas partículas atravesaban dos vías independientes y de grosores variables, con los que se afectó a la polarización de los fotones y, por tanto, a su evolución. La medición fue posible porque el estado del primer fotón reflejaba el del segundo, merced al entrelazamiento cuántico. Recordemos aquí el ejemplo de los peces en las charcas.

El resultado fue el siguiente: en el primer caso (medición externa), el sistema observado resultó estacionario. En el segundo caso, en cambio, se registró un comportamiento oscilatorio (del segundo fotón), esto es, una evolución del segundo fotón que resultó una medida del tiempo.

Estas constataciones, aunque evidentemente no dan una respuesta definitiva, nos trasladan una vez más a cuestiones que llevan siglos en la mente de filósofos y de científicos: ¿qué es el tiempo? ¿Existe el tiempo sin un reloj que lo mida?

Finalizan expresando que la reflexión humana sobre el tiempo se remonta a Platón y, evidentemente, aún no ha concluido. No será fácil retroceder nuestro reloj al "cero absoluto" para confirmar el Big Bang y la posibilidad de creación simultánea de todo el Multiverso. Es más, aún ni siquiera sabemos si existió ese comienzo de "lo que es" o ha estado desde siempre.

Espero haber logrado mi objetivo inicial: crear dudas nuevas para destruir antiguas certezas.
Volveremos sobre el tema, seguramente, más de una vez. Porque si me dicen que han comprendido todo perfectamente me estarán mintiendo amablemente, pensando que es la respuesta que deseo escuchar. No lo es. Será más que suficiente haber despertado en ustedes el interés por conocer más acerca de eso llamado "tiempo" y que, para este encuentro, se ha agotado. Si es que el tiempo existe realmente, si tuvo o no un comienzo y tendrá o no un final, si es que puede agotarse en este o en otros universos.

Hasta la próxima.

Daniel Aníbal Galatro
Noviembre 21 de 2014
Esquel - Chubut - Argentina


Al índice:
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