¿Qué es la flecha del tiempo y por qué ha desconcertado a los físicos durante casi un siglo?

La flecha del tiempo puede explicarse simplemente como la observación de que recordamos el pasado y no el futuro. Tenemos acceso a los libros de historia y a todo tipo de registros sobre lo que nos precede, pero no tenemos esa información en la otra dirección.

Ahora, esto puede parecer simplista, pero hay un enigma aquí. Las leyes de la física son simétricas, lo que significa que funcionan independientemente de la dirección en la que te muevas en el tiempo. Por ejemplo, imagina que ves una película de un huevo que cae de una mesa y se rompe en el suelo. Si vieras esa misma película al rebobinar, con todas las grietas y trozos del huevo roto reorganizándose limpiamente, y esa energía de reformación forzando al huevo a saltar de nuevo sobre la mesa, eso también obedece a las leyes de la física.

Así que ahora tenemos una pregunta. ¿Por qué siempre vemos el primer escenario y nunca el segundo?

¿Tenemos alguna explicación plausible?

Hay muchas explicaciones diferentes, y la mayoría de ellas giran en torno a la idea de que la flecha del tiempo se genera básicamente por un aumento de la entropía. La entropía, a grandes rasgos, es una medida de lo revuelto y desordenado que está un sistema. Y la entropía no es simétrica. Esto se llama la segunda ley de la termodinámica: Sabemos que a largo plazo cualquier sistema lo suficientemente grande siempre aumentará su entropía, pasará de un estado ordenado a otro menos ordenado.

Imagina que viertes un salero hasta la mitad con sal, y luego lo cubres con pimienta. Al principio se vería ordenado en capas; pero cada vez que lo movieras o agitaras, la sal y la pimienta se mezclarían cada vez más y se desordenarían. Eso es entropía. Y como es un proceso unidireccional, muchos físicos han planteado la hipótesis de que, de alguna manera, dicta la dirección a la que apunta la flecha del tiempo.

Pero estas explicaciones tienen dos problemas graves. El primero es que la entropía tiene un límite superior: el salero y el pimentero sólo pueden estar tan desordenados, hasta que agitarlos no los hace más desordenados. En segundo lugar, para ver un aumento de la entropía (y así generar esta flecha del tiempo) se necesitaría una configuración inicial especial en la que la sal y la pimienta estuvieran organizadas para empezar. Si nos fijamos en nuestro propio universo, esto pide a gritos una explicaciónun estado inicial altamente organizado es una configuración aleatoria muy, muy improbable.

Ustedes crearon un modelo que muestra que se pueden eludir estos problemas mirando una propiedad llamada complejidad. ¿Puede explicarlo?

Hicimos un modelo que es una aproximación del universo a gran escala, donde la gravedad es la fuerza dominante, y el universo está lleno de partículas. Ten en cuenta que es una aproximación simplificada. Por ejemplo, no incluimos ninguna de las otras fuerzas, ni nada como las ondas gravitacionales o la materia oscura.

Ahora bien, la razón por la que no necesitamos ninguna condición especial de partida para generar una flecha del tiempo es complicada, pero está arraigada en el hecho de que la gravedad, a diferencia de todas las demás fuerzas, se atrae universalmente. (Mientras que las fuerzas fuerte y débil y el electromagnetismo pueden empujar o tirar de diferentes tipos de partículas, la gravedad sólo tira). Esto es importante. Porque mientras que la combinación de una atracción y una repulsión creará inevitablemente una especie de equilibrio caótico, la atracción constante de la gravedad hará crecer continuamente una especie de estructura, de la que podemos derivar una flecha del tiempo.

Lo que esto significa desde la perspectiva de nuestro modelo es que dada cualquier dispersión inicial aleatoria de partículas, a medida que la gravedad empieza a tirar, el universo se fragmenta en cúmulos que se hacen cada vez más densos; nuestro modelo se coagula en estos pequeños subsistemas. Si te sirve de ayuda, puedes pensar en ellos como si fueran cúmulos globulares de estrellas. Los cúmulos globulares, al desarrollar su propia rotación, energía y momento definidos, en realidad recogían información sobre el resto del modelo. Codificaron datos sobre cómo era la estructura del modelo en el pasado a través de sus diversas propiedades, de forma análoga a un libro de historia. En otras palabras, señalaban un camino en el tiempo.

Regresa por un segundo. Si nos fijamos sólo en la gravedad, entonces ¿por qué su modelo no se derrumbó sobre sí mismo?

Ese es un punto interesante. Sabemos que cuando miras el universo como un todo, se está expandiendo. Hemos implementado esta expansión en nuestro modelo diciendo que la relación entre la mayor y la menor distancia entre las partículas aumenta constantemente.

Esto fue clave, porque en este sistema en expansión en el que domina la gravedad, se ve inmediatamente que ocurre algo muy interesante. La complejidad del universo (y utilizamos «complejidad» como una cantidad física precisa para describir lo agrupado que está nuestro modelo) crece sin fin. Descubrimos que se puede crear un modelo en el que la complejidad del sistema aumenta sin límites, independientemente de la posición inicial que se introduzca.

¿Pero qué pasa con todos los demás fenómenos físicos que no están relacionados con la gravedad? ¿Por qué siempre vemos que se mueven de una manera en el tiempo?

En realidad estamos trabajando en eso ahora mismo, y trataré de simplificar nuestras primeras conclusiones. Un gran ejemplo es que si observas un átomo que decae, siempre encuentras que decae en un átomo más ligero, nunca en uno más pesado. Eso sigue una flecha del tiempo, y aparentemente no tiene nada que ver con la gravedad, ¿verdad? No es así. Tienes que darte cuenta de que, para ese átomo, algo tuvo que ponerlo en un estado inicial especial en el que pudo decaer.

Todavía no hemos descrito tal átomo. Pero sí tenemos un modelo en el que el universo primitivo, cuando la gravedad era la fuerza dominante, genera estados iniciales muy atípicos. Y a medida que el universo se expandía, y la gravedad dejaba de ser la fuerza dominante para pequeños subsistemas como el átomo, esos estados de partida obligaban de alguna manera a todas las demás flechas del tiempo a marchar al mismo ritmo.

¿Así que me estás diciendo que es posible que el universo primitivo tuviera múltiples flechas del tiempo, moviéndose en diferentes direcciones?

Sí, es posible. De hecho, llamamos a este proceso hilogénesis, la idea de que en alguna etapa del universo primitivo las diferentes flechas del tiempo estaban todas desordenadas. Pero como la gravedad era la fuerza dominante, finalmente las empujó a todas a apuntar en la misma dirección. Antes de ese momento, no existía el espacio-tiempo en el sentido en que lo experimentamos actualmente.