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Tiempo
 
 
Los científicos tratan de explicar el Tiempo


Como humanos, tenemos una idea muy intuitiva del tiempo, y de las diferencias entre pasado, presente y futuro. Pero tal y como apuntan científicos como Edward Feng de la Universidad de California en Berkeley, y Gavin Crooks del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, la Ciencia no proporciona una definición clara del Tiempo.

“En nuestra vida cotidiana tenemos la sensación de que el tiempo fluye inexorablemente desde el pasado hacia el futuro; el agua fluye colina abajo; las montañas se erosionan; nacemos, crecemos y morimos; anticipamos el futuro pero recordamos el pasado”, escriben los científicos en un reciente estudio publicado en Physical Review Letters. “Casi todas las teorías físicas fundamentales – mecánica clásica, electrodinámica, mecánica cuántica, relatividad general, etc. – son simétricas respecto a una inversión temporal.

“La única teoría que toma una dirección preferida en el tiempo es la Segunda ley de la Termodinámica, la cual asegura que la entropía del Universo se incrementa conforme el tiempo fluye hacia el futuro. Esto proporciona una orientación, o flecha del tiempo, y en general se piensa que todas las otras asimetrías, tales como nuestro sentido de que futuro y pasado son distintos, son consecuencia directa de esta flecha termodinámica”.

En su estudio, Feng y Crooks han desarrollado un método par medir con precisión la “asimetría temporal” (lo cual se refiere a nuestra idea intuitiva de tiempo, de que el pasado difiere del futuro, en contraste con la simetría temporal, donde no hay distinción entre pasado y futuro). Comenzaron investigando el incremento de la disipación de energía, o entropía, en distintas ordenaciones.

El método de los científicos para medir la asimetría temporal se explica mejor en el contexto de un experimento. En el mundo macroscópico, donde los vasos de leche se derraman, la asimetría temporal es obvia. Pero en la escapa microscópica, debido a que la cantidad de energía envuelta es tan pequeña, es más difícil decir que la entropía está aumentando, y que el tiempo se mueve hacia adelante y no hacia atrás. De hecho, durante algunos intervalos de tiempo, la entropía podría en realidad decrementarse. Por lo que aunque la entropía global aún se incremente en media, de acuerdo con la segunda ley, la dirección del tiempo no es obvia en cada momento del experimento. Además, los científicos demuestran que incluso un incremento medio de la entropía no asegura necesariamente asimetría temporal, pero puede surgir en una ordenación que parece simétrica temporalmente.

Feng y Crooks querían que su nuevo método de medida explicara cómo avanzaba incluso en puntos cuando la entropía se hacía más pequeña. Para hacer esto, analizaron el plegado y desplegado de una única molécula de ARN acoplada a dos diminutas gotas. Controlando la distancia entre una gota y una trampa láser óptica adyacente, los científicos podían estirar y comprimir la molécula de ARN. Inicialmente, el RNA comienza en equilibrio térmico, pero, como es alternativamente estirado y comprimido, la entropía total del ARN y del baño que lo rodea se incrementa de media.

“Usamos un conjunto, o gran número, de trayectorias de ARN para medir la asimetría temporal”, explicó Feng a PhysOrg.com. “Usando medidas de trabajo tanto para experimentos hacia adelante como hacia atrás, simplemente acoplamos estas medidas en una expresión para A, o asimetría temporal, en el artículo. Suponiendo que conocemos el cambio de energía libre, dando esto el cuadrado de la longitud de la flecha del tiempo”.

Para medir la asimetría temporal en esta ordenación, un observador que mire la trayectoria del ARN en su plegado y desplegado debería ser capaz de decir si la trayectoria se generó estirando o comprimiendo. Los científicos cuantifican esta observación en términos de “divergencia de Jensen-Shannon”, una probabilidad la cual es “0” si estirar y comprimir son idénticos, “1” si son distinguibles en cada momento, y una fracción de uno su se solapan ocasionalmente.

Esta probabilidad, explican Feng y Crooks, puede describir con mayor precisión la asimetría temporal que una simple medida de la entropía media, dado que la entropía media es sensible a eventos inusuales. Por ejemplo, si el ARN se entrelaza, se resiste a ser desplegado cuando las gotas se expanden. Debido a que el ARN entrelazado es separado muy lentamente, el proceso es esencialmente simétrico temporalmente. Los científicos demuestran que un modelo de este proceso tiene una gran disipación media, o incremento de entropía, pero una pequeña asimetría temporal, como se esperaría intuitivamente debido a lo lento del tirón.

“La divergencia Jensen-Shannon es mejor que la disipación media debido a su forma matemática”, dijo Feng. “Esto tiene en cuenta los eventos extraños de una forma distinta, lo cual demostramos con la molécula de ARN que puede quedar atascada”.

Aparte de su interés teórico, esta investigación podría tener otras aplicaciones, tales como estimar las diferencias de energía libre en experimentos de no equilibrio. Los científicos explican que comprender la relación entre la asimetría temporal y la entropía podría también ser importante para el estudio de otros tipos de maquinaria biológica.

“Aunque el tiempo está claro que se mueve hacia adelante en el mundo macroscópico, la dirección del tiempo se hace confusa en la escala de una molécula aislada”, resume Feng. “Nuestra definición empleando la divergencia de Jensen-Shannon destaca esta distinción. Esperamos que esto tenga un impacto cuando los científicos estudien moléculas biológicas y continúen realizando experimentos en moléculas aisladas”.

Fuente: Publicación "Physical Review Letters".



El Tiempo ¿puede que no exista?


Nadie sigue el rastro del tiempo mejor que Ferenc Krausz. En su laboratorio en el Instituto Max Planck de Óptica Cuántica Garching, Alemania, ha cronometrado los intervalos de tiempo más cortos jamás observados. Krausz usó pulsos láser ultravioleta para rastrear los irracionalmente breves saltos cuánticos de los electrones dentro de los átomos. Los eventos que investigó tardaron unos 100 attosegundos, o 100 trillonésimas de segundo. Para verlo con un poco de perspectiva, 100 attosegundos es a un segundo lo que un segundo a 300 millones de años.

Pero incluso los trabajos de Krausz están lejos de la frontera del tiempo. Hay un dominio temporal llamado escala de Planck, donde incluso los attosegundos parecen eones. Esto marca el límite de la física conocida, una región donde las distancias e intervalos son tan cortos que los mismos conceptos de espacio y tiempo comienzan a colapsar. El tiempo de Planck — la unidad más pequeña de tiempo que tiene sentido a nivel físico — es 10-43 segundos, menos de una billonésima de billonésima de un attosegundo. ¿Más allá qué hay? El tiempo desconocido. Al menos por ahora.

Los esfuerzos por comprender el tiempo por debajo de la escala de Planck han llevado coyunturas extremadamente extrañas de la física. El problema, resumiendo, es que el tiempo puede no existir al nivel más fundamental de la realidad física. Si esto es así, entonces, ¿qué es el tiempo? ¿Y por qué es tan obvia y tiránicamente omnipresente en nuestra propia experiencia? “El significado del tiempo se ha convertido en un algo terriblemente problemático en la física contemporánea”, dice Simon Saunders, un filósofo de la física en la Universidad de Oxford. “La situación es tan incómoda que lo mejor que puede uno hacer, de lejos, es declararse agnóstico”.

El problema con el tiempo comenzó hace un siglo, cuando las Teorías de la Relatividad Especial y General de Einstein derrumbaron la idea del tiempo como una constante universal. Una consecuencia es que pasado, presente y futuro no son absolutos. Las Teorías de Einstein también abrieron una grieta en la física debido a que las reglas de la relatividad general (que describen la gravedad y la estructura a gran escala del cosmos) parecen incompatibles con las de la física cuántica (que gobierna el dominio de lo diminuto). Unas cuatro décadas más tarde, el renombrado físico John Wheeler, entonces en Princeton, y el posteriormente Bryce DeWitt, entonces en la Universidad de Carolina del Norte, desarrollaron una extraordinaria ecuación que proporciona un posible marco de trabajo para unificar la relatividad y la mecánica cuántica. Pero la ecuación de Wheeler-DeWitt siempre ha sido controvertida, en parte debido a que añade otro, si cabe, giro aún más desconcertante a nuestra comprensión del tiempo.

“Uno se encuentra con que el tiempo simplemente desaparece en la ecuación de Wheeler-DeWitt”, dice Carlo Rovelli, físico de la Universidad del Mediterráneo en Marsella, Francia. “Es un tema que ha desconcertado a muchos teóricos. Puede que la mejor forma de pensar en la realidad cuántica sea abandonando la noción de tiempo — que la descripción fundamental del universo debe ser atemporal”.

Nadie ha tenido éxito en el uso de la ecuación de Wheeler-DeWitt para integrar la teoría cuántica con la relatividad general. No obstante, una minoría considerable de físicos, Rovelli inclusive, creen que alguna fusión exitosa de las dos grandes piezas maestras de la física del siglo XX inevitablemente describirán un universo en el que, finalmente, no hay tiempo.

La posibilidad de que puede no existir el tiempo es conocida entre los físicos como “el problema del tiempo”. Puede ser el mayor, pero está lejos de ser el único acertijo temporal. El aspirante para la segunda plaza es este extraño hecho: Las leyes dela física no explican por qué el tiempo siempre apunta hacia el futuro. Todas las leyes – ya sean las de Newton, Einstein, o las estrafalarias reglas cuánticas — funcionarían igual de bien si el tiempo corriese hacia atrás. Hasta donde podemos decir, si bien, el tiempo en un proceso de único sentido; nunca se invierte, incluso aunque ninguna ley se lo impide.

“Es bastante misterioso por qué tenemos una flecha del tiempo tan obvia”, dice Seth Lloyd, ingeniero de mecánica cuántica en el MIT. (Cuando le preguntamos qué es el tiempo, contesta, “No lo sé. ¿Hemos terminado?”) “La explicación habitual de esto es que para especificar lo que sucede a un sistema, no sólo tienes que especificar las leyes físicas, sino también alguna condición inicial o final”.

La madre de todas las condiciones iniciales, dice Lloyd, fue el Big Bang. Los físicos creen que el universo comenzó como una extremadamente compacta y simple bola de energía. Aunque las leyes de la física mismas no proporcionan una flecha del tiempo, la expansión actual del universo sí lo hace. Dado que el universo se expande, se hace más complejo y desordenado. El desorden creciente — lo que los físicos llaman un aumento de la entropía — está dirigido por la expansión del universo, lo cual puede ser el origen de lo que pensamos que es el incesante avance del tiempo.

El tiempo, desde este punto de vista, no es algo que exista fuera del universo. No hay un reloj haciendo tic-tac fuera del cosmos. La mayoría de nosotros tendemos a pensar en el tiempo de la forma que lo hizo Newton: “El tiempo absoluto, verdadero y matemático, por sí mismo y por su propia naturaleza, fluye de igual forma, sin importar nada externo”. Pero como demostró Einstein, el tiempo es parte del tejido del universo. Contrariamente a lo que creía Newton, nuestros relojes comunes no miden algo independiente al universo. De hecho, dice Lloyd, los relojes no miden el tiempo en absoluto.

“Recientemente fui al Instituto Nacional de Estándares y Tecnología en Boulder”, dice Lloyd. (NIST es el laboratorio del gobierno que alberga el reloj atómico que estandariza la hora para la nación). “Dije algo como, ‘Vuestros relojes miden el tiempo con mucha precisión’. Ellos me dijeron, ‘Nuestros relojes no miden tiempo’. Pensé: Guau, eso es algo muy humilde por parte de estos chicos. Pero dijeron, ‘No hay ningún tiempo definido que nuestros relojes puedan medir’. Lo cual es cierto. Ellos definen los estándares del tiempo para el mundo: El tiempo está definido por el número de tics de sus relojes”.

Rovelli, el defensor de un universo sin tiempo, dice que los guardianes del tiempo de NIST tienen razón. Además, su punto de vista es muy consistente con la ecuación de Wheeler-DeWitt. “En realidad nunca podemos ver el tiempo”, dice. “Sólo vemos relojes. Si dices que este objeto se mueve, lo que en realidad significa es que este objeto estaba aquí cuando la manecilla de tu reloj estaba aquí, etc. Decimos que medimos el tiempo con relojes, pero sólo vemos las manecillas de los relojes, no el tiempo en sí mismo. Y las manecillas de un reloj son una variable física como cualquier otra. Por lo que en cierto sentido hacemos trampa debido a que lo que realmente observamos son variables físicas como una función de otra variable física, pero que representamos como si todo evolucionara con el tiempo.

“Lo que pasa con la ecuación de Wheeler-DeWitt es que tenemos que dejar de jugar a esto. En lugar de introducir estas variable ficticia — el tiempo, que en sí mismo no es observable — deberíamos simplemente describir cómo se relacionan las variables entre sí. La pregunta es, ¿el tiempo es una propiedad de la realidad o sólo una apariencia macroscópica de las cosas? Yo diría que es sólo un efecto macroscópico. Es algo que surge sólo para las cosas grandes”.

Por “cosas grandes”, Rovelli indica cualquier cosa que exista muy por encima de la misteriosa escala de Planck. Dado que por ahora no hay una teoría física que describa completamente cómo es el universo por debajo de la escala de Planck. Una posibilidad es que si los físicos consiguen alguna vez una teoría unificada de la cuántica y la relatividad general, el espacio y el tiempo se describirán mediante alguna versión modificada de la mecánica cuántica. En tal teoría, el espacio sería no sería suave y continuo. En lugar de eso, constaría de fragmentos discretos — quanta, en el argot de la física — así como la luz está compuesta de haces de energía individuales llamados fotones. Estos serían los ladrillos fundamentales del espacio y el tiempo. No es fácil imaginar que el espacio y el tiempo estén hechos de algo. ¿Dónde existirían los componentes del espacio y tiempo, sino en el espacio y el tiempo?

Como explica Rovelli, en la mecánica cuántica todas las partículas de materia y energía pueden describirse como ondas. Y las ondas tienen una propiedad inusual: Un número infinito de ellas pueden existir en la misma localización. Si se demuestra algún día que el espacio y el tiempo constan de quanta, los quanta podrían existir apilados en un único punto sin dimensión. “El espacio y el tiempo en cierto sentido se funden en este escenario”, dice Rovelli. “No habrá más espacio. Sólo untos tipos de quanta viviendo unos sobre otros sin verse inmersos en el espacio”.

Rovelli ha estado trabajando con uno de los matemáticos más importantes del mundo, Alain Connes de la Facultad de Francia en París, sobre esta idea. Juntos han desarrollado un marco de trabajo para demostrar cómo lo que experimentamos como tiempo podría surgir a partir de una realidad más fundamental sin tiempo. Como la describe Rovelli, “El tiempo puede ser un concepto aproximado que surge a grandes escalas — un poco como el concepto de “superficie del agua”, que tiene sentido a nivel macroscópico pero que pierde un sentido preciso al nivel de los átomos”.

Dándose cuenta de que esta explicación puede hacer más profundo el misterio del tiempo, Rovelli dice que gran parte del conocimiento que tomamos como bueno fue considerado una vez como igualmente perplejo. “Me doy cuenta de que esta descripción no es intuitiva. Pero de esto es de lo que trata la física fundamental: encontrar nuevas formas de pensamiento sobre el mundo, proponerlas y ver si funcionan. Creo que cuando Galileo dijo que la Tierra giraba alocadamente, era algo completamente incomprensible de la misma forma. El espacio para Copérnico no era el mismo espacio que para Newton, y el de Newton no era el mismo que el de Einstein. Siempre aprendemos un poco más”.

Einstein, por ejemplo, encontró consuelo en su sentido revolucionario del tiempo. En marzo de 1955, cuando su amigo de toda la vida Michele Besso falleció, escribió una carta de consuelo a la familia de Besso: “Ahora él ha partido de este extraño mundo un poco antes que yo. Esto no significa nada. La gente como nosotros, que creen en la física, saben que la distinción entre el pasado, el presente y el futuro es sólo una ilusión obstinadamente persistente”.

Rovelli siente que hay otro gran avance temporal a la vuelta de la esquina. “El artículo de 1905 de Einstein llegó y cambió repentinamente el pensamiento de la gente sobre el espacio-tiempo. Estamos de nuevo en medio de algo similar”, dijo. Cuando el polvo se asiente, el tiempo – sea lo que sea eso – podría volverse incluso más extraño e ilusorio de lo que hasta Einstein pudo imaginar.


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El Viaje en el Tiempo y el LHC


Podríamos estar dando la bienvenida a nuestros primeros viajeros en el tiempo del futuro este año después de que se inicie un gigantesco experimento científicos en mayo. O eso es lo que piensan un par de científicos rusos.

El gigantesco laboratorio internacional subterráneo de casi 2 millones de libras cerca de Ginebra, conocido como CERN, investigará las partículas más diminutas del Universo que forman los átomos.

Las acelerará cerca de la velocidad de la luz e impactarán entre sí para recrear las condiciones que existían en la primera mil millonésima de segundo después de que el Big Bang creara el Cosmos.

Pero las fuerzas liberadas podrían afectar al tejido del Universo, provocando una ondulación en el espacio y el tiempo.

Esto convertiría al experimento, conocido como Gran Colisionador de Hadrones ó LHC, en la primera máquina del tiempo del mundo, dicen Irina Aref’eva e Igor Volovich, del Instituto Matemático Steklov de Moscú.

Las leyes de la física dictan que el viaje en el tiempo al pasado sólo es posible hasta el momento en que se invente la primera máquina. Esto significa que cualquier viajero en el tiempo del futuro será incapaz de viajar más atrás de la puesta en marcha del LHC, es decir la màquina, una fecha conocida por los científicos como Año Cero.

Se informa de las predicciones de los respetados expertos rusos en la revista "New Scientist". Dicen que la energía contenida en partículas de una billonésima del tamaño de una masa de 2 ó 3 milímetros sería suficiente para hacer cosas extraordinarias en sus alrededores.

Dicen que cada partícula que viaja en el LHC creará un tipo de onda de choque que distorsione el espacio y el tiempo a su alrededor. Bajo ciertas condiciones, las ondas en colisión abrirán un agujero en el espacio y el tiempo, conocido como agujero de gusano.

Este agujero de gusano actúa como un túnel del tiempo que civilizaciones avanzadas podrían ser capaces de manipular para viajar a través de él y hacernos una visita.

El Dr. Brian Cox, de la Universidad de Manchester, es uno de los principales expertos británicos en Física de partículas y trabajará en el detector Atlas del Reino Unido en el LHC. Es muy escéptico sobre las afirmaciones rusas.

Comentaba a Skymania: “Las colisiones de rayos cósmicos en la atmósfera superior son mucho mas energéticas que cualquier cosa que podamos producir aquí en el LHC. Han estado ocurriendo durante 5000 millones de años, y no han aparecido viajeros en el tiempo”.

“Stephen Hawking ha sugerido que cualquier futura Teoría de la Gravedad Cuántica probablemente cerrará esta posibilidad, ya que el Universo normalmente procede de una forma coherente, y el viaje en el tiempo es incoherente”.

“Por lo que, aunque con nuestro actual entendimiento de la Relatividad General es cierto que estas anomalías existen, sugerir que el LHC tendrá algo que decir en este tema es en mi opinión poco más que una buena historia de ciencia-ficción”.

Fuente: Publicación "New Scientist".

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