ESTILO DE VIDA Los misterios sin resolver del tiempo: un cuaderno de casos cuánticos

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Una introducción asequible a uno de los grandes interrogantes de la física, un misterio que sigue desconcertando a las mentes más brillantes del mundo. En este artículo, desvelaremos las caóticas maravillas de la entropía.

En la primera parte de nuestro cuaderno de casos cuánticos, examinaremos el concepto de entropía como preparación para la segunda parte, en la que abordaremos el nivel avanzado del misterioso flujo del tiempo. Así que póngase cómodo, hágase un café (háganos caso, es una parte importante de la lección) y prepárese para replantearse todo lo que creía saber sobre el tiempo.

« Cuanto más aprendo, más me doy cuenta de lo mucho que no sé. »

Albert Einstein

Las mentes científicas más grandes del mundo tienen en común un inusual sello de identidad: la humildad.  Por eso, tal vez no nos sorprenda que cuanto más nos adentramos los humanos en los dominios de la mecánica cuántica, más misterios y paradojas nos encontramos.  Existen múltiples problemas aún sin resolver que atormentan (o deleitan, dependiendo de su estado de ánimo) a aquellos intrépidos que osan explorar las fronteras de la física cuántica.

Uno de estos desconcertantes enigmas es lo que se conoce como la flecha del tiempo. Este concepto afirma —o postula, si nos ponemos la bata de laboratorio— lo que se conoce como la dirección unidireccional o asimetría del tiempo. En resumen, lo que viene a decir es que el tiempo transcurre del pasado al futuro a través del presente. Hasta aquí, le parece obvio, ¿verdad? O quizás no tanto si considera que tiene espíritu de cuark, pero ya hablaremos de esto más adelante.

El concepto de la flecha del tiempo, desarrollado en 1927 por el astrofísico británico Arthur Eddington, no solo es un misterio sin resolver para los amantes de la mecánica cuántica, sino que también constituye una cuestión ampliamente estudiada en la física general e incluso persigue a filósofos y poetas en sus sueños (o, posiblemente, en sus pesadillas).

Según Eddington —quien, por cierto, fue ampliamente ridiculizado y desacreditado por sus extravagantes afirmaciones—, la dirección del tiempo podría determinarse estudiando la “organización” relativa de los átomos, las moléculas y los cuerpos. 

Se cree que los procesos físicos a escala microscópica son total o mayoritariamente simétricos en el tiempo: si la dirección del tiempo se invirtiera, las afirmaciones teóricas que describen dichos procesos seguirían siendo ciertas.  Es decir, si se retrocediera en el tiempo desde el presente hacia el pasado, se comportarían de forma igualmente “correcta”, como un palíndromo, esas palabras u oraciones que se leen del mismo modo de izquierda a derecha y viceversa (piense, por ejemplo, en “reconocer”, “ala” y “salas” o “Anita lava la tina”).

No obstante, a escala macroscópica, a menudo parece que no es así: hay una dirección, o flujo, obvio del tiempo.  Pero entonces la pregunta es: ¿por qué el tiempo tiene una sola dirección para los cuerpos y procesos más grandes? La teoría se basa en la existencia observable de una propiedad conocida como entropía.

La entropía es el fenómeno que impulsa el tiempo “hacia adelante” y, a grandes rasgos, implica que el grado de “desorden” en el universo no hace más que aumentar; no hay forma de invertir un aumento de la entropía una vez que se haya producido. Como le diría cualquier buen relojero, a medida que pasan los minutos, los días y los años las cosas solo se vuelven más complejas… y con ello, literalmente, vemos pasar el tiempo.   

Pese a que esto pueda parecer una manera obvia de decir que, si se dejan a su suerte, la habitación de un adolescente, la política mundial o los métodos necesarios para acceder a su cuenta bancaria en línea se vuelven más caóticos, confusos y desordenados a medida que pasa el tiempo… no es exactamente a eso a lo que nos referimos. Si bien, técnicamente, lo anterior no es falso, dejaremos esas interpretaciones a los filósofos e historiadores sociales.

Para comprenderlo un poco mejor, observemos que la leche, vertida en el café, se dispersa y se entremezcla con el propio café hasta tal punto que resulta prácticamente imposible distinguir las dos sustancias.  (Ha llegado la hora del experimento: este es el momento en que usted lo comprueba y demuestra que la ciencia tiene razón, al mismo tiempo que, con suerte, recupera algo de fuerzas para continuar leyendo. Examine el café.  Añada la leche. Observe cómo transcurre el tiempo en su práctico reloj TAG Heuer. Vuelva a examinar la mezcla de café y leche y observe si puede separar las moléculas de cada sustancia. Por último, contemple cómo no lo consigue…).

Por su parte, el periodismo sensacionalista disfrutaría señalando, acerca de la entropía, que un huevo cascado en la acera se convierte en una mancha desordenada cuya forma original y ordenada es, en esencia, imposible de recuperar. Nosotros no vemos la necesidad de malgastar huevos (aun siendo hipotéticos); ya que se podría decir con la misma facilidad que tres huevos revueltos con abundante mantequilla han perdido su forma original “ordenada” y se han mezclado, batido y dispersado en un estado (delicioso) pero más “aleatorio”.

(Inserte la pausa para la merienda, si lo considera necesario, y tómese un momento para reflexionar sobre este sencillo resumen de la sección anterior).

« El que con el tiempo aumente el desorden o la entropía es un ejemplo de lo que se llama una flecha del tiempo, algo que distingue el pasado del futuro dando una dirección al tiempo. »

Stephen Hawking, Breve historia del tiempo

El caso es que, si le pidiésemos más detalles a un físico, probablemente pondría los ojos en blanco y nos explicaría pacientemente que, a nivel atómico, la entropía es un poco más complicada que el mero hecho de preparar un desayuno.  Lamentablemente, no solo se trata de orden, sino que también entran en juego las matemáticas.

En concreto, hay otra pieza importante del rompecabezas a tener en cuenta: el hecho de que la entropía aumente es también una cuestión de lógica. La entropía mide los “estados cuánticos” de las partículas. Sin meternos en camisas de once varas para explicar lo que esto significa, podríamos decir que la conclusión es más o menos la siguiente: dado que existen más disposiciones posibles de partículas “mezcladas” que disposiciones “separadas”, esto significa que a medida que, inevitablemente, las cosas (átomos, moléculas, cuerpos) cambian, tienden a adoptar un desorden entremezclado.

Pues bien, ha llegado el momento de adentrarse en la sección de repaso de la clase de física de secundaria: ¿cree que puede escarbar un poco en su memoria a largo plazo y desenterrar la segunda ley de la termodinámica? Seguro que sí, pero por si acaso, a continuación, le facilitamos un pequeño recordatorio…

Una de las leyes más inviolables del universo, la segunda ley de la termodinámica, afirma que en cualquier sistema físico aislado, la entropía solamente aumenta y nunca disminuye.  Esto no solo se cumple en los sistemas cerrados dentro de nuestro universo (es decir, esa fiel taza de café con una tapa encima), sino en todo el universo en sí mismo.

Y si este repaso le ha resultado tan incomprensible como la primera vez que lo estudió, cuando su profesor de Física agitaba las manos una y otra vez exasperado ante un desconcertante diagrama de borrones y flechas, no pasa nada. Nosotros le confesamos un pequeño secreto acerca de la entropía que probablemente nunca se mencionó en la asignatura de Física: usted ya entiende la entropía aunque no lo sepa.

A pesar de ser un concepto abstracto y difuso, la entropía es una idea para la que casi todos los seres humanos vivos tienen un sentido intuitivo. Ya en la década de 1920, el propio Eddington afirmó categóricamente que el fenómeno era “vívidamente reconocido por la conciencia” e “igualmente exigido por la razón”.  En otras palabras: es algo evidente.

Al igual que ocurre con la subida y la bajada de las temperaturas, los seres humanos pueden distinguir entre las cosas que van hacia delante y las que van hacia atrás en el tiempo, basándose en el comportamiento de la materia física.  Si reprodujésemos al revés un vídeo (un VHS, de la vieja escuela) de una hoguera de leña derritiendo un bloque de hielo cercano a ella, parecería mostrar un charco de agua que se congela a sí mismo mientras una nube de humo se convierte en un montón de leña.

Por extraño que parezca, ambos visionados de la cinta obedecen a la mayoría de las leyes de la física.  Con una importante excepción: nuestra vieja amiga, la segunda ley de la termodinámica. Por consiguiente, con este giro inesperado, lo que queremos decir es que únicamente su comprensión inherente de la entropía le permite determinar si el vídeo se reproduce hacia adelante o hacia atrás. Así que como ya sabía, a medida que el tiempo avanza la entropía aumenta. ¿Sorprendido de ser un genio sin saberlo?

Ahora que ya le hemos demostrado categóricamente su brillantez innata en el ámbito de la física cuántica, será mejor que lo dejemos por hoy mientras todo esté claro. Únase a nosotros en la segunda parte de este cuaderno de casos cuánticos para poner su prodigiosa mente a funcionar de nuevo con la difícil cuestión de la flecha del tiempo.  Ya le falta poco para dominarla por completo. Así que póngase su TAG Heuer Formula 1 Chronograph y prepárese para que cada microsegundo sea un poco más complicado.

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