Sean Carroll - Desde la eternidad hasta hoy: En busca de la teoría definitiva del tiempo

Prólogo

¿Sabe alguien realmente qué hora es?

C HICAGO , «Does Anybody Really Know What Time It Is?»

Este libro trata sobre la naturaleza del tiempo, el principio del universo y la estructura fundamental de la realidad física. No nos andamos con minucias. Las cuestiones a las que nos enfrentamos son antiguas y venerables. ¿De dónde proceden el tiempo y el espacio? ¿El universo que vemos es todo lo que hay, o existen otros «universos» fuera del alcance de nuestras observaciones? ¿En qué se diferencia el futuro del pasado?

Según el Oxford English Dictionary, «tiempo» es el sustantivo más utilizado en la lengua inglesa. Nuestras vidas transcurren en el tiempo, llevamos cuenta de él obsesivamente y luchamos contra él todos los días. Y aun así, sorprendentemente, pocos podrían ofrecer una explicación de lo que es realmente el tiempo.

En la era de internet, podemos recurrir a Wikipedia para que nos oriente. Cuando escribo estas líneas, la entrada titulada «Tiempo» comienza así:

El tiempo es un componente de un sistema de medición que se utiliza para establecer la secuencia de los eventos, comparar las duraciones de los mismos y los intervalos existentes entre ellos, y para cuantificar el movimiento de los objetos. El tiempo ha sido un asunto de gran importancia para la religión, la filosofía y la ciencia, pero ni siquiera los mayores expertos han sido capaces de definir el tiempo de una manera que no resulte controvertida y a la vez sea de aplicación en todas las disciplinas en las que se utiliza.

Vamos allá. Cuando lleguemos al final del libro, habremos definido «tiempo» de una manera muy precisa y aplicable a todas las disciplinas. Por desgracia, lo que no resultará tan claro es por qué el tiempo tiene las propiedades que tiene (aunque exploraremos algunas posibilidades sugerentes).

La cosmología, el estudio del universo en su conjunto, ha experimentado avances extraordinarios a lo largo de los últimos cien años. Hace 14.000 millones de años, nuestro universo (al menos la parte del mismo que podemos observar) se encontraba en un estado inconcebiblemente caliente y denso que conocemos como «big bang». Desde entonces ha ido expandiéndose y enfriándose, y parece que eso es lo que seguirá haciendo en el futuro próximo, y posiblemente para siempre.

Hace un siglo desconocíamos esto (los científicos no entendían prácticamente nada sobre la estructura del universo más allá de la galaxia de la Vía Láctea). Desde entonces, hemos tomado la medida del universo observable y somos capaces de describir en detalle tanto su tamaño como su forma, así como cuáles son sus componentes y cuál ha sido, a grandes rasgos, su historia. Pero existen cuestiones importantes para las que no tenemos respuesta, en particular las que se refieren a los primeros instantes del big bang. Como veremos, estas cuestiones desempeñan un papel fundamental en nuestra comprensión del tiempo (no solo en los remotos confines del cosmos, sino también en nuestros laboratorios terrestres e incluso en nuestro día a día).

E L TIEMPO DESDE EL BIG BANG

Es evidente que el universo evoluciona a medida que transcurre el tiempo: el universo primigenio era caliente y denso, mientras que el actual es frío y ralo. Lo más misterioso del tiempo es que posee una dirección: el pasado es distinto del futuro. Esta es la flecha del tiempo (a diferencia de las direcciones espaciales, todas ellas prácticamente iguales, el universo posee innegablemente una orientación temporal preferida). Uno de los temas principales de este libro es que la flecha del tiempo existe porque el universo evoluciona de una determinada manera.

El motivo por el que el tiempo posee una dirección es que el universo está repleto de procesos irreversibles: cosas que suceden en una dirección temporal, pero nunca en la otra. Recurriendo al ejemplo clásico, podemos transformar un huevo en una tortilla, pero no podemos convertir la tortilla en un huevo. La leche se mezcla en el café; los combustibles experimentan un proceso de combustión y se transforman en desechos; las personas nacen, crecen, envejecen y mueren. Dondequiera que miremos en la naturaleza, encontramos secuencias de eventos en las que cierto tipo de evento siempre sucede antes, y otro tipo siempre ocurre después. Juntos, definen la flecha del tiempo.

Sorprendentemente, nuestra comprensión de los procesos irreversibles se puede resumir en un único concepto, algo llamado «entropía», que mide el «grado de desorden» de un objeto o un conjunto de objetos. La entropía tiene una pertinaz tendencia a aumentar, o al menos a permanecer constante, a medida que el tiempo pasa: esta es la famosa segunda ley de la termodinámica. Y la razón por la que la entropía tiende a crecer es engañosamente sencilla: hay más maneras de que algo esté desordenado que de que esté ordenado, por lo que (si suponemos que todo lo demás permanece invariable) una disposición ordenada tenderá de forma natural hacia un mayor desorden. No es tan difícil batir las moléculas de huevo en forma de tortilla, pero recolocarlas minuciosamente en la disposición de un huevo está más allá de nuestras capacidades.

Tradicionalmente, la historia que los físicos se cuentan a sí mismos llega hasta aquí. Pero hay un ingrediente absolutamente fundamental al que no se le ha prestado la suficiente atención: si todo lo que existe en el universo evoluciona hacia un mayor desorden, habrá partido de una disposición perfectamente ordenada. Aparentemente, todo este razonamiento lógico, que pretende explicar por qué no podemos convertir una tortilla en un huevo, se basa en una profunda hipótesis sobre el mismísimo comienzo del universo: que se encontraba en un estado de muy baja entropía, que estaba muy ordenado.

La flecha del tiempo conecta el principio del universo con algo que experimentamos literalmente en cada momento de nuestras vidas. No se trata únicamente de huevos que se rompen u otros procesos irreversibles (como la mezcla de leche y café o el hecho de que una habitación desatendida tiende a volverse más caótica con el tiempo). La flecha del tiempo es la razón por la que da la impresión de que el tiempo fluye a nuestro alrededor, o por la que (si se prefiere) parece que nos desplazamos en el tiempo. Es el motivo por el que recordamos el pasado pero no el futuro; por el que evolucionamos, metabolizamos y, finalmente, morimos; por el que creemos en la causa y el efecto, y es también fundamental para nuestras ideas sobre el libre albedrío.

Y todo se debe al big bang.

L O QUE VEMOS NO ES TODO LO QUE HAY

El misterio de la flecha del tiempo se resume en lo siguiente: ¿por qué eran tan particulares las condiciones en los inicios del universo, con una configuración de baja entropía que hizo posibles los procesos interesantes e irreversibles que estaban por venir? Esa es la cuestión que este libro se propone abordar. Por desgracia, nadie sabe aún cuál es la respuesta correcta, pero hemos llegado a un punto en el desarrollo de la ciencia moderna en que disponemos de las herramientas para abordar con seriedad el asunto.

Desde siempre, los científicos y los pensadores precientíficos han tratado de entender el tiempo. En la antigua Grecia, los filósofos presocráticos Heráclito y Parménides defendieron distintas posturas sobre la naturaleza del tiempo: Heráclito hacía hincapié en la primacía del cambio, mientras que Parménides negaba por completo la realidad del cambio. El siglo XIX fue la era heroica de la mecánica estadística —la explicación del comportamiento de objetos macroscópicos a partir de sus componentes microscópicos—, en la que figuras como Ludwig Boltzmann, James Clerk Maxwell y Josiah Willard Gibbs dedujeron el significado de la entropía y su papel en los procesos irreversibles. Pero ellos no conocían la teoría de la relatividad general de Einstein ni la mecánica cuántica, y tampoco, claro está, la cosmología moderna. Por primera vez en la historia de la ciencia, tenemos al menos la oportunidad de elaborar una teoría coherente del tiempo y de la evolución del universo.