Historia del Tiempo: El Jresumen Parte 5

Por fin la última entrada de este super resumen, que si has llegado hasta aquí estarás al nivel de hawking!

Hoy capítulos del 9 al 12, la flecha del tiempo, agujeros de gusano y viajes en el tiempo, la unificación de la física y conclusiones. Además algunas cosas de personajes importantes del libro.

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el descubrimiento de que la velocidad de la luz resultaba ser la misma para todo observador, sin importar cómo se estuviese moviendo éste, condujo a la teoría de la relatividad, y en ésta tenía que abandonarse la idea de que había un tiempo absoluto único.

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¿De dónde proviene esta diferencia entre el pasado y el futuro? ¿Por qué recordamos el pasado pero no el futuro?

Las leyes de la ciencia no distinguen entre el pasado y el futuro. Con más precisión, como se explicó anteriormente, las leyes de la ciencia no se modifican bajo la combinación de las operaciones (o simetrías) conocidas como C, P y T. (C significa cambiar partículas por antipartículas. P significa tomar la imagen especular, de modo que izquierda y derecha se intercambian. T significa invertir la dirección de movimiento de todas las partículas: en realidad, ejecutar el movimiento hacia atrás.)

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Flechas del tiempo

La explicación que se da usualmente de por qué no vemos vasos rotos recomponiéndose ellos solos en el suelo y saltando hacia atrás sobre la mesa, es que lo prohíbe la segunda ley de la termodinámica. Esta ley dice que en cualquier sistema cerrado el desorden, o la entropía, siempre aumenta con el tiempo. En otras palabras, se trata de una forma de la ley de Murphy: ¡las cosas siempre tienden a ir peor!

Hay al menos tres flechas del tiempo diferentes. Primeramente, está la flecha termodinámica, que es la dirección del tiempo en la que el desorden o la entropía aumentan. Luego está la flecha psicológica. Esta es la dirección en la que nosotros sentimos que pasa el tiempo, la dirección en la que recordamos el pasado pero no el futuro. Finalmente, está la flecha cosmológica. Esta es la dirección del tiempo en la que el universo está expandiéndose en vez de contrayéndose.

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El calor expulsado por el ventilador del ordenador asegura que cuando graba un número en la memoria, la cantidad total de desorden en el universo aumenta a pesar de todo. La dirección del tiempo en la que un ordenador recuerda el pasado es la misma que aquella en la que el desorden aumenta.

La flecha psicológica del tiempo, está determinado por lo tanto dentro de nuestro cerebro por la flecha termodinámica del tiempo. Esto hace que la segunda ley de la termodinámica sea, casi trivial. El desorden aumenta con el tiempo porque nosotros medimos el tiempo en la dirección en la que el desorden crece

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En una teoría cuántica de la gravedad, como vimos en el capítulo anterior, para especificar el estado del universo habría que decir aún cómo se comportarían las historias posibles del universo en el pasado en la frontera del espacio-tiempo. Podría evitarse únicamente si las historias satisficieran la condición de que no haya frontera: son finitas en extensión pero no tienen fronteras, bordes o singularidades.

Un período de expansión exponencial o «inflacionario», en el que habría aumentado su tamaño en un factor muy grande. Durante esta expansión las fluctuaciones en la densidad habrían permanecido pequeñas al principio, pero posteriormente habrían empezado a crecer.

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La condición de que no haya frontera no exigía que la fase contractiva fuese necesariamente la inversión temporal de la fase expansiva. La condición de que no haya frontera implicaba que el desorden continuaría de hecho aumentando durante la contracción. Las flechas termodinámica y psicológica del tiempo no se invertirían cuando el universo comenzara a contraerse de nuevo, o dentro de los agujeros negros

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Conclusión

He mostrado que la flecha psicológica es esencialmente la misma que la flecha termodinámica, de modo que las dos señalarán siempre en la misma dirección. La propuesta de no frontera para el universo predice la existencia de una flecha termodinámica del tiempo bien definida, debido a que el universo tuvo que comenzar en un estado suave y ordenado. Y la razón de que observemos que esta flecha termodinámica coincide con la flecha cosmológica es que seres inteligentes sólo pueden existir en la fase expansiva. La fase contractiva sería inadecuada debido a que no posee una flecha termodinámica clara del tiempo.

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Se han encontrado nuevo y más razonable espacio-tiempo compatible con la relatividad general y que permiten viajar al pasado. Uno de ellos es el interior de un agujero negro en rotación. Otro es un espacio-tiempo que contiene dos cuerdas cósmicas en movimiento que se cruzan a alta velocidad.

Las observaciones del fondo de microondas y de la gran cantidad de elementos ligeros indican que el universo primitivo no poseía el tipo de curvatura necesario para permitir los viajes en el tiempo. Si el universo empieza sin la clase de curvatura requerida para viajar en el tiempo, ¿podemos posteriormente curvar regiones concretas del espacio-tiempo lo suficiente como para permitirlo?

Si uno puede viajar más rápido que la luz, entonces la relatividad implica que uno también puede viajar hacia atrás en el tiempo

Podemos acelerar partículas hasta un 99,99 por ciento de la velocidad de la luz, pero, por mucha más potencia que les suministremos, no podemos hacer que vayan más allá de la barrera de la velocidad de la luz. Igual ocurre con las naves espaciales: independientemente de la potencia que les suministremos, nunca pueden acelerarse por encima de la velocidad de la luz.

BUT, Podría ocurrir que fuéramos capaces de doblar el espacio-tiempo de tal manera que hubiera un atajo entre A y B. Una forma de hacerlo sería creando un agujero de gusano entre A y B. Como sugiere su nombre, un agujero de gusano es un tubo estrecho del espacio-tiempo que puede conectar dos regiones casi planas muy alejadas.

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Efecto c asimir

El hecho de que haya menos fotones virtuales entre las placas significa que la densidad de energía es menor que en el resto del espacio. Pero la densidad de energía total en el espacio 'vacío' lejos de las placas debe ser cero, pues de lo contrario la densidad de energía curvaría el espacio, que no sería entonces casi plano. Así, si la densidad de energía entre las placas ha de ser menor que la densidad de energía lejos de ellas, tiene que ser negativa.

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Viajes tiempo-futuro-pasado

De esta forma tenemos evidencia experimental tanto de que el espacio-tiempo puede ser curvado (a partir de la desviación de los rayos de luz durante los eclipses) como de que puede ser curvado de la manera necesaria para que los viajes en el tiempo estén permitidos (a partir del efecto Casimir)

Una forma posible de explicar la ausencia de visitantes del futuro sería decir que el pasado es fijo porque lo hemos observado y hemos comprobado que no tiene el tipo de curvatura necesario para permitir viajar hacia atrás desde el futuro. Por el contrario, el futuro es desconocido y está abierto, de forma que podría tener la curvatura requerida. Ello significaría que cualquier viaje en el tiempo estaría confinado al futuro

Se llega a contradicciones si se tiene la libertad de poder cambiar el pasado. Parece haber dos posibles soluciones a las paradojas que surgen de los viajes en el tiempo. A la primera la denominaré proposición de las historias consistentes. De acuerdo con este punto de vista, no se podría retroceder en el tiempo a menos que la historia mostrara que uno ha llegado ya en el pasado y que, mientras estuvo allí, no mató a su tatarabuelo o realzó cualquier otra acción que entrara en conflicto con su situación actual. Además, cuando se volviera, no sería capaz de cambiar la historia escrita. Eso significa que no se tendría la libertad de hacer lo que se quisiera

La hipótesis de las historias alternativas se parece al modo de Richard Feynman de expresar la teoría cuántica como una suma de historias, descrito en los capítulos 4 y 8. La suma de historias de Feynman permite viajar al pasado a una escala microscópica. En el capítulo 9 vimos que las leyes de la ciencia son invariables ante combinaciones de las operaciones C, P y T.

Uno puede imaginarse el par de partículas como una única partícula que se mueve en un bucle cerrado en el espacio-tiempo. Cuando se mueve hacia adelante en el tiempo (desde el suceso en que se crea hasta en el que se aniquila) se denomina partícula. Pero cuando la partícula viaja hacia atrás en el tiempo (desde el suceso en el que el par se aniquila hasta en el que se crea), se dice que se trata de una antipartícula que viaja hacia adelante en el tiempo.

La explicación de como los agujeros negros pueden emitir partículas y radiación (dada en el capitulo 7) fue que un componente de un par partícula/antipartícula virtual (digamos, la antipartícula) puede caer en el agujero negro, dejando al otro componente sin una pareja con la que aniquilarse. La partícula abandonada puede caer igualmente en el agujero, pero también puede escaparse del entorno del agujero negro. Si esto ocurre, a un observador distante le parecerá que una partícula es emitida por el agujero negro.

Así pues, la radiación de los agujeros negros muestra que la teoría cuántica permite viajar hacia atrás en el tiempo a escala microscópica y que dichos viajes temporales pueden producir efectos observables

Estos problemas se evitarían si se verificara lo que denomino conjetura de protección cronológica. Esta nos dice que las leyes de la física conspiran para prevenir que objetos macroscópicos transporten información al pasado. Al igual que la conjetura de censura cósmica, no ha sido probada, pero existen razones para pensar que es cierta.

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Las teorías parciales que gobiernan a las fuerzas débil, fuerte y electromagnética pueden combinarse en las llamadas teorías de gran unificación, o TGU, que no son muy satisfactorias porque no incluyen a la gravedad y porque contienen varias cantidades, como las masas relativas de diferentes partículas, que no pueden ser deducidas de la teoría sino que han de ser escogidas de forma tal que se ajusten a las observaciones. La principal dificultad para encontrar una teoría que unifique la gravedad con las otras fuerzas estriba en que la relatividad general es una teoría «clásica», esto quiere decir que no incorpora el principio de incertidumbre de la mecánica cuántica. Por otra parte, las otras teorías parciales dependen de la mecánica cuántica de forma esencial. Un primer paso necesario, por consiguiente, consiste en combinar la relatividad general con el principio de incertidumbre.

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Super gravedad y teoría de cuerdas

La idea consistía en combinar la partícula de spin 2, llamada gravitón, que transporta la fuerza gravitatoria, con ciertas partículas nuevas de spin 3/2, 1, 1/2 y 0, permitio eliminar algunos infinitos pero no todos, y cálculos muy toxos. A pesar de estos problemas, y de que las partículas de las teorías de súper gravedad no parecían corresponderse con las partículas observadas, la mayoría de los científicos creía que la súper gravedad constituía probablemente la respuesta correcta al problema de la unificación de la física. Parecía el mejor camino para unificar la gravedad con las otras fuerzas. Sin embargo, en 1984 se produjo un notable cambio de opinión en favor de lo que se conoce como teorías de cuerdas.

Los objetos básicos no son partículas que ocupan un único punto del espacio, sino objetos que poseen una longitud pero ninguna otra dimensión más, similares a trozos infinitamente delgados de cuerda, abiertas o cerradas.

Una partícula ocupa un punto del espacio en cada instante del tiempo. Así, su historia puede representarse mediante una línea en el espacio-tiempo (la «línea del mundo»). Una cuerda, por el contrario, ocupa una línea en el espacio, en cada instante de tiempo. Por tanto, su historia en el espacio-tiempo es una superficie bidimensional llamada la «hoja del mundo». (Cualquier punto en una hoja del mundo puede ser descrito mediante dos números: uno especificando el tiempo y el otro la posición del punto sobre la cuerda.) La hoja del mundo de una cuerda abierta es una cinta; sus bordes representan los caminos a través del espacio-tiempo de los extremos de la cuerda Figura 11:1. La hoja del mundo de una cuerda cerrada es un cilindro o tubo Figura 11:2; una rebanada transversal del tubo es un círculo, que representa la posición de la cuerda en un instante particular

Dos fragmentos de cuerda pueden juntarse para formar una única cuerda; en el caso de cuerdas abiertas simplemente se unen por los extremos Figura 11:3, mientras que en el caso de cuerdas cerradas la unión es similar a las dos piernas de un par de pantalones juntándose Figura 11:4.

De forma análoga, un único fragmento de cuerda puede dividirse en dos cuerdas. En las teorías de cuerdas, lo que anteriormente se consideraban partículas, se describen ahora como ondas viajando por la cuerda, como las ondulaciones de la cuerda vibrante de una cometa. La emisión o absorción de una partícula por otra corresponde a la división o reunión de cuerdas. Por ejemplo, la fuerza gravitatoria del Sol sobre la Tierra se describe en las teorías de partículas como causada por la emisión de un gravitón por una partícula en el Sol y su absorción por una partícula en la Tierra Figura 11:5. En la teoría de cuerdas, ese proceso corresponde a un tubo o cañería en forma de H Figura 11:6 (la teoría de cuerdas, en cierto modo, se parece bastante a la fontanería). Los dos lados verticales de la H corresponden a las partículas en el Sol y en la Tierra, y el larguero transversal corresponde al gravitón que viaja entre ellas.

Y se desarrolló una nueva versión, las llamadas cuerdas «heteróticas», que parecía que podrían ser capaces de explicar los tipos de partículas que observamos. Los infinitos se subsanan bastante pero las teorías de cuerdas, sin embargo, presentan un problema mayor: parecen ser consistentes ¡sólo si el espacio-tiempo tiene o diez o veintiséis dimensiones, en vez de las cuatro usuales!

Si se estuviese en un lugar del lado interior del anillo y se quisiese ir a un punto situado enfrente, se tendría que ir alrededor del lado interior del anillo. Sin embargo, si uno fuese capaz de viajar en la tercera dimensión, podría cortar en línea recta.

¿Por qué no notamos todas esas dimensiones extra, si están realmente ahí? Es como la superficie de una naranja: si se la mira desde muy cerca está toda curvada y arrugada, pero si se la mira a distancia no se ven las protuberancias y parece que es lisa. Lo mismo ocurre con el espacio-tiempo: a una escala muy pequeña tiene diez dimensiones y está muy curvado, pero a escalas mayores no se ven ni la curvatura ni las dimensiones extra.

Pero… Presumiblemente, en el universo primitivo todas las dimensiones habrían estado muy curvadas ¿Por qué sólo se aplanaron una dimensión temporal y tres espaciales, mientras que las restantes dimensiones permanecieron fuertemente arrolladas?

Una posible respuesta la encontraríamos en el principio antrópico. Dos dimensiones espaciales no parecen ser suficientes para permitir el desarrollo de seres complicados como nosotros.

Por ejemplo, animales bidimensionales sobre una tierra unidimensional tendrían que trepar unos sobre otros para adelantarse. Si una criatura bidimensional comiese algo no podría digerirlo completamente, tendría que vomitar los residuos por el mismo camino por el que se los tragó, ya que si hubiese un paso a través de su cuerpo dividiría a la criatura en dos mitades separadas; nuestro ser bidimensional se rompería Figura 11:8. Análogamente, es difícil de entender cómo podría haber circulación de la sangre en una criatura bidimensional.

También habría problemas con más de tres dimensiones espaciales. La fuerza gravitatoria entre dos cuerpos disminuiría con la distancia más rápidamente de lo que lo hace en tres dimensiones.

En tres dimensiones, la fuerza gravitatoria cae a 1/4 si se duplica la distancia. En cuatro dimensiones caería a 1/8, en cinco dimensiones a 1/16, y así sucesivamente.)

El significado de todo esto es que las órbitas de los planetas alrededor del Sol, como por ejemplo la de la Tierra, serían inestables, el Sol no podría existir en un estado estable, en el que la presión compensase a la gravedad, los electrones o escaparían totalmente del átomo o caerían en espiral en el núcleo

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Al igual que las partículas, que ocupan un solo punto del espacio, y las cuerdas, que son líneas, se encontró que había otros objetos llamados p-branes, que ocupaban volúmenes bidimensionales o de más dimensiones en el espacio. (Una partícula puede ser vista como un 0-brane y una cuerda como un 1-brane pero había también p-branes desde p=2 hasta p=9.) Lo que esto parece indicar es que hay una suerte de democracia en la supergravedad, las cuerdas, y las teorías p-brane: parecen poder convivir pero ninguna puede ser considerada más fundamental que las otras. Parecen ser aproximaciones diferentes hacia alguna teoría fundamental que son válidas en situaciones diferentes.

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Teoria unificada

¿puede haber en realidad una tal teoría unificada? ¿O estamos tal vez persiguiendo únicamente un espejismo? Parece haber tres posibilidades:

1. Existe realmente una teoría unificada completa, que descubriremos algún día si somos lo suficientemente inteligentes.
2. No existe ninguna teoría definitiva del universo, sino una sucesión infinita de teorías que describen el universo cada vez con más precisión.
3. No hay ninguna teoría del universo; los acontecimientos no pueden predecirse más allá de cierto punto, ya que ocurren de una manera aleatoria y arbitraria.

Algunos sostendrían la tercera posibilidad sobre la base de que, si hubiese un conjunto completo de leyes, ello iría en contra de la libertad de Dios de cambiar de opinión e intervenir en el mundo. Es algo parecido a la vieja paradoja: ¿puede Dios hacer una piedra tan pesada que él no pueda levantarla? Sin embargo, la idea de que Dios pudiese querer cambiar de opinión es un ejemplo de la falacia, señalada por san Agustín, de imaginar a Dios como un ser que existe en el tiempo: el tiempo es una propiedad sólo del universo que Dios creó. Al parecer ¡sabía lo que quería cuando lo construyó!

En los tiempos modernos hemos eliminado de hecho la tercera posibilidad, redefiniendo el objeto de la ciencia: nuestra intención es formular un conjunto de leyes que nos permitan predecir acontecimientos sólo hasta el límite impuesto por el principio de incertidumbre. Una teoría unificada completa, consistente, es sólo el primer paso: nuestra meta es una completa comprensión de lo que sucede a nuestro alrededor y de nuestra propia existencia.

Sin embargo, parece que la gravedad puede poner un límite a esta sucesión de «cajas dentro de cajas». Si hubiese una partícula con una energía por encima de lo que se conoce como energía de Planck, diez millones de millones de millones de GeV, su masa estaría tan concentrada que se amputaría ella misma del resto del universo y formaría un pequeño agujero negro. De este modo, parece que la sucesión de teorías más y más refinadas debe tener algún límite a medida que vamos hacia energías cada vez más altas, por lo tanto, debe existir alguna teoría definitiva del universo

En la época de Newton, era posible, para una persona instruida, abarcar todo el conocimiento humano, al menos en términos generales. Pero, desde entonces, el ritmo de desarrollo de la ciencia lo ha hecho imposible. Es necesario ser un especialista, e incluso entonces sólo se puede tener la esperanza de dominar correctamente una pequeña parte de las teorías científicas.

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Conclusiones

La mecánica cuántica se ocupa de la situación de indeterminismo mediante un tipo de teorías cuánticas en las que las partículas no tienen posiciones ni velocidades bien definidas, sino que están representadas por una onda.

El hecho de que la gravedad sea siempre atractiva implica que el universo tiene que estar expandiéndose o contrayéndose. De acuerdo con la teoría general de la relatividad, tuvo que haber habido un estado de densidad infinita en el pasado, el big bang, que habría constituido un verdadero principio del tiempo. De forma análoga, si el universo entero se colapsase de nuevo tendría que haber otro estado de densidad infinita en el futuro, el big crunch, que constituiría un final del tiempo. Incluso si no se colapsase de nuevo, habría singularidades en algunas regiones localizadas que se colapsarían para formar agujeros negros. Estas singularidades constituirían un final del tiempo para cualquiera que cayese en el agujero negro. En el big bang y en las otras singularidades todas las leyes habrían fallado, de modo que Dios aún habría tenido completa libertad para decidir lo que sucedió y cómo comenzó el universo

Cuando combinamos la mecánica cuántica con la relatividad general parece haber una nueva posibilidad que no surgió antes: el espacio y el tiempo juntos podrían formar un espacio de cuatro dimensiones finito, sin singularidades ni fronteras, como la superficie de la Tierra pero con más dimensiones. Parece que esta idea podría explicar muchas de las características observadas del universo, tales como su uniformidad a gran escala y también las desviaciones de la homogeneidad a más pequeña escala, como las galaxias, estrellas e incluso los seres humanos. Podría incluso explicar la flecha del tiempo que observamos. Pero si el universo es totalmente autocontenido, sin singularidades ni fronteras, y es descrito completamente por una teoría unificada, todo ello tiene profundas implicaciones sobre el papel de Dios como Creador.

Einstein una vez se hizo la pregunta: «¿cuántas posibilidades de elección tenía Dios al construir el universo?». Si la propuesta de la no existencia de frontera es correcta, no tuvo ninguna libertad en absoluto para escoger las condiciones iniciales. Habría tenido todavía, por supuesto, la libertad de escoger las leyes que el universo obedecería. Esto, sin embargo, pudo no haber sido realmente una verdadera elección; puede muy bien existir sólo una, o un pequeño número de teorías unificadas completas, tales como la teoría de las cuerdas heteróticas, que sean autoconsistentes y que permitan la existencia de estructuras tan complicadas como seres humanos que puedan investigar las leyes del universo e interrogarse acerca de la naturaleza de Dios

Hasta ahora, la mayoría de los científicos han estado demasiado ocupados con el desarrollo de nuevas teorías que describen cómo es el universo para hacerse la pregunta de por qué. Por otro lado, la gente cuya ocupación es preguntarse por qué, los filósofos, no han podido avanzar al paso de las teorías científicas. En el siglo XVIII, los filósofos consideraban todo el conocimiento humano, incluida la ciencia, como su campo, y discutían cuestiones como, ¿tuvo el universo un principio? Sin embargo, en los siglos XIX y XX, la ciencia se hizo demasiado técnica y matemática para ellos, y para cualquiera, excepto para unos pocos especialistas. Los filósofos redujeron tanto el ámbito de sus indagaciones que Wittgenstein, el filósofo más famoso de este siglo, dijo: «la única tarea que le queda a la filosofía es el análisis del lenguaje». ¡Que distancia desde la gran tradición filosófica de Aristóteles a Kant!

No obstante, si descubrimos una teoría completa, con el tiempo habrá de ser, en sus líneas maestras, comprensible para todos y no únicamente para unos pocos científicos. Entonces todos, filósofos, científicos y la gente corriente, seremos capaces de tomar parte en la discusión de por qué existe el universo y por qué existimos nosotros. Si encontrásemos una respuesta a esto, sería el triunfo definitivo de la razón humana, porque entonces conoceríamos el pensamiento de Dios.

“EPILOGO”

Einstein
Pero Einstein era flemático: cuando se publicó un libro titulado 100 autores en contra de Einstein, él replicó, "¡Si yo estuviese equivocado, uno solo habría sido suficiente!"
"Las ecuaciones son más importantes para mí, porque la política es para el presente, pero una ecuación es algo para la eternidad"

Galileo Galilei
Dialogo sobre los dos máximos sistemas del mundo. Defensor del copernicanismo (helicentrismo)

Isaac Newton
Principa Mathematica, (seguramente el libro más influyente jamás escrito en el campo de la física).

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Y hasta aquí hemos llegado, fue un camino arduo y largo pero muy estoy seguro que si lo has seguido has aprendido mucho!

Un saludo.