¿Puede el tiempo ir hacia atrás en otros universos? 1ª Parte
Uno de los hechos más elementales de la vida es que el futuro se ve diferente del pasado.
Pero a gran escala cosmológica, pueden ser lo mismo
Uno de los hechos más elementales de la vida es que el futuro se ve diferente del pasado.
Pero a gran escala cosmológica, pueden ser lo mismo
Partimos de 2 Conceptos Clave:
* Las leyes fundamentales de la física funcionan igualmente bien hacia delante o hacia atrás en el tiempo, y sin embargo, percibimos el tiempo avanzar en una sola dirección, hacia el futuro. ¿Por qué sucede esto?
* Para tener en cuenta para ello, tenemos que ahondar en la prehistoria del universo, llegando a un tiempo anterior al big bang. Nuestro universo puede ser parte de un multiverso mucho mayor, que en su conjunto tiene simetría en el tiempo. El tiempo, por lo tanto, puede ir hacia atrás en otros universos.
El universo no parece funcionar como debería. Esto puede parecer una afirmación extraña, habida cuenta de que los cosmólogos no tienen otro universo para comparar. ¿Y además podemos suponer como es el universo solo por como lo vemos? Sin embargo, a pesar de estas dificultades a lo largo de los años hemos desarrollado una gran intuición para lo ver cuando algo se comporta de forma "natural"- y el universo que observamos no lo hace.
No nos equivoquemos: los cosmólogos han elaborado, con un increíble éxito, ideas sobe la composición del universo y cuál ha sido su evolución. Hace unos 14 mil millones de años el cosmos era más caliente y más denso que el interior de una estrella, y desde entonces ha sido enfriándose y perdiendo densidad como el tejido del espacio se expande. Pero esta imagen nos muestra una serie de características inusuales, sobre todo en el universo temprano, que sugieren que hay más en su historia de lo que nosotros llegamos a entender.
Entre esos “antinaturales” aspectos del universo, se destaca uno: la asimetría del tiempo. El estudio de las leyes de la física que subyacen en el comportamiento del universo nos dice que esas leyes no distinguen entre el pasado y el futuro, sin embargo, el universo temprano-caliente, denso y homogéneo-es completamente diferente de como es hoy-frío, diluido y desigual. Sabemos que el universo empezó ordenado y se ha ido desordenado cada vez más desde entonces. La asimetría del tiempo, (la flecha que va del de pasado al futuro), desempeña un papel inequívoco en nuestra vida cotidiana: vemos que no podemos convertir una tortilla en un huevo, y también que nunca los cubitos de hielo se crean espontáneamente a partir de un vaso de agua, ¿ por qué recordamos el pasado pero no el futuro? Para buscar el origen de la asimetría que nos muestra la experiencia debemos rastrear todo el camino de vuelta hacia al orden del universo, a un punto cerca del big bang. Así que, piensa que cada vez que rompes un huevo, lo que estás haciendo es cosmología observacional.
La flecha del tiempo es, posiblemente, la característica más importante del universo que los cosmólogos de hoy se encuentran incapaces de explicar. Sin embargo cada vez más, este puzzle sobre el universo que observamos, nos da indicios de la existencia de un espacio mucho más grande que no podemos observar. Y esta idea de que somos parte de una dinámica de multiversos, ayudaría a explicar las aparentemente características contra-natura de nuestra vecindad local.
El rompecabezas de la entropía
Los físicos encuadran el concepto de asimetría en el tiempo en la famosa segunda ley de la termodinámica: “la entropía en un sistema cerrado nunca disminuye”. A grandes rasgos, la entropía es una medida del desorden de un sistema. En el siglo 19, el físico austriaco Ludwig Boltzmann explicaba la entropía en términos de la distinción entre el microestado y el macroestado de un objeto. Si pides una taza de café, lo más probable es que se pueda ver su macroestado, cual es su temperatura, presión y otras características generales. El micro, por otro lado, determinaría la posición exacta y la velocidad de cada átomo en el líquido. Son muchos y muy distintos microestados los que corresponden a un particular macroestado: podríamos mover un átomo aquí y allá, y nadie encontaría la diferencia a escalas macroscópicas si no se le avisa.
La entropía es el número de diferentes microestados que corresponden a un mismo macroestado. (Técnicamente, es el número de dígitos, o logaritmo, de ese número.) Por lo tanto, hay más maneras de organizar un número determinado de átomos en una alta entropía que en la configuración de baja entropía. Imagínese que usted vierte la leche en su café. Hay una gran cantidad de formas de distribuir las moléculas de modo que la leche y el café están completamente mezclados entre sí, pero relativamente pocas maneras de organizarlo de forma que la leche se separe del café. Así que la mezcla tiene una mayor entropía.
Desde este punto de vista, no es de extrañar que la entropía tiende a aumentar con el tiempo. Los estados de Alta entropía superan en gran medida a los de baja entropía; casi ningún cambio en el sistema terrestre conduce a un estado de una mayor entropía, simplemente algunos que llegan a ese estado por la suerte en el sorteo de la probabilidad. Esa es la razón por la que leche se mezcla con el café, pero nunca se desmezclan. A pesar de que es físicamente posible para todas las moléculas de leche conspirar espontáneamente para organizarse a si mismas unas junto a otras, es estadísticamente muy improbable. Si usted tiene paciencia y espera para que suceda por sí mismo ese proceso de las moléculas organizándose al azar, por lo general, tendría que esperar mucho más tiempo que la actual edad del universo observable para verlo. La flecha del tiempo es simplemente la tendencia de los sistemas a evolucionar hacia una de los numerosos y naturales, estados de alta entropía.
Pero explicar por qué los estados de baja entropía se convierten en estados de alta entropía es diferente de explicar por qué la entropía está aumentando en nuestro universo. La pregunta sigue siendo: ¿Por qué la entropía era escasa al comienzo del universo? Parece muy poco natural, habida cuenta de que la baja entropía es un estado muy raro. Incluso si hacemos la concesión de que nuestro universo tiene hoy una entropía media, esto no explica por qué la entropía era aún menor entonces. De todas las posibles condiciones iniciales que podrían haber evolucionado hasta convertirse en un universo como el nuestro, la inmensa mayoría tienen mucho mayor entropía, no menos [véase "La flecha del tiempo", de David Layzer; Scientific American, diciembre de 1975].
En otras palabras, el verdadero reto no consiste en explicar por qué la entropía del universo será mayor mañana que hoy, sino en explicar por qué la entropía era menor ayer y aún más baja el día antes de ayer. Podemos rastrear esta lógica todo el camino de vuelta al principio de los tiempos en nuestro universo observable. En última instancia, la asimetría del tiempo es la pregunta a la que debe dar respuesta la cosmología.
El desorden del vacío
El universo temprano era un lugar increíble. Todas las partículas que componen el universo que observamos actualmente estaban condensadas en un denso volumen extraordinariamente caliente. Y lo que es más importante, es que se distribuyeron casi de manera uniforme en todo ese pequeño volumen. En promedio, la densidad difiere de un lugar a otro por sólo una parte en 100.000. Poco a poco, como el universo se ha expandido y enfriado, la fuerza de la gravedad ha hecho crecer esas diferencias. Las regiones con una pequeña cantidad mayor de partículas formaron estrellas y galaxias y las regiones con menor número de partículas se vaciaron ligeramente formado los vacíos entre ellas.
Evidentemente, la gravedad ha sido crucial para la evolución del universo. Lamentablemente, todavía no comprendemos plenamente la entropía cuando se trata de la gravedad. La Gravedad surge de la forma del espacio, pero no tenemos una teoría del espacio, que es el objetivo de una teoría cuántica de la gravedad. Considerando que podemos relacionar la entropía de un fluido para el comportamiento de las moléculas que lo constituyen, no sabemos qué es lo que constituye el espacio, por lo que no sabemos qué microestados gravitacionales corresponden a cualquier particular macroestado.
Sin embargo, tenemos una idea aproximada de cómo evoluciona la entropía. En situaciones donde la gravedad es despreciable, como una taza de café, una distribución uniforme de partículas tiene una alta entropía. Esta condición es un estado de equilibrio. Incluso cuando las partículas se remodelan, ya están bien mezcladas de manera que nada parece suceder macroscópicamente. Pero si la gravedad es importante y el volumen es fijo, una buena distribución es relativamente baja en entropía. En este caso, el sistema está muy lejos de equilibrio. La gravedad causa que las partículas se reunan en estrellas y galaxias, y la entropía aumenta notablemente-en consonancia con la segunda ley.
De hecho, si queremos maximizar la entropía de un volumen de gravedad cuando está activo, sabemos lo que vamos a obtener: un agujero negro. En el decenio de 1970 Stephen Hawking de la Universidad de Cambridge confirmo una provocadora sugerencia de Jacob D. Bekenstein, ahora en la Universidad Hebrea de Jerusalén, que los agujeros negros encajan perfectamente en la segunda ley. Al igual que los objetos calientes que la segunda ley se encargo inicialmente de describir, los agujeros negros emiten radiación y una gran cantidad de entropía. Un único agujero negro con millones de masas solares, como el que vive en el centro de nuestra galaxia, tiene 100 veces mayor entropía que todas las partículas ordinarias del universo observable.
Eventualmente, incluso los agujeros negros que se evaporan emiten radiación Hawking. Un agujero negro no tiene el más alto grado posible de entropía, sino sólo la más alta entropía que puede ser empaquetada en un determinado volumen. El volumen de espacio en el universo, sin embargo, parece ir en aumento sin ningún límite. En 1998 los astrónomos descubrieron que la expansión cósmica se está acelerando. La explicación más sencilla es la existencia de energía oscura, una forma de energía que existen en el espacio vacío y que no parece diluirse a medida que el universo se expande. No es la única explicación de la aceleración cósmica, pero los intentos para llegar a una idea mejor hasta el momento se han quedado cortos en comparación con ella.
Si la energía oscura no se diluye, el universo se expandirá para siempre. Las Galaxias distantes desaparecerán de la vista. (ver artículo en Con•ciencia sobre esto). Los agujero negros que no se derrumben, se evaporan en la oscuridad que los rodea como un charco se seca en un día caluroso. ¿como será este universo a todos los efectos estará vacío. Entonces, y sólo entonces, el universo verdaderamente habrá maximizado su entropía. El universo estará en equilibrio, y nada más llegará a suceder.
Puede parecer extraño que el espacio vacío tenga una enorme entropía. Suena como decir que la mayoría de los escritorios completamente vacíos del mundo son escritorios desordenados. La Entropía requiere microestados, y, a primera vista, el espacio vacío no tiene ninguno. En la actualidad, sin embargo, el espacio vacío tiene muchos microestados gravitatorios, microestados-cuánticos, que forman el tejido del espacio. No sabemos todavía qué son exactamente como son estos estados, no sabemos de ellos más de lo que sabemos que afectan a los microestados para la entropía de un agujero negro, pero lo que sí sabemos es que un universo acelerado la entropía esta en relación con el volumen observable en un valor constante y proporcional a la zona de sus fronteras. Es una verdaderamente enorme cantidad de entropía, mucho mayor que la que hay dentro de ese volumen.
Segunda parte del artículo
Por Sean M. Carroll SC
No nos equivoquemos: los cosmólogos han elaborado, con un increíble éxito, ideas sobe la composición del universo y cuál ha sido su evolución. Hace unos 14 mil millones de años el cosmos era más caliente y más denso que el interior de una estrella, y desde entonces ha sido enfriándose y perdiendo densidad como el tejido del espacio se expande. Pero esta imagen nos muestra una serie de características inusuales, sobre todo en el universo temprano, que sugieren que hay más en su historia de lo que nosotros llegamos a entender.
Entre esos “antinaturales” aspectos del universo, se destaca uno: la asimetría del tiempo. El estudio de las leyes de la física que subyacen en el comportamiento del universo nos dice que esas leyes no distinguen entre el pasado y el futuro, sin embargo, el universo temprano-caliente, denso y homogéneo-es completamente diferente de como es hoy-frío, diluido y desigual. Sabemos que el universo empezó ordenado y se ha ido desordenado cada vez más desde entonces. La asimetría del tiempo, (la flecha que va del de pasado al futuro), desempeña un papel inequívoco en nuestra vida cotidiana: vemos que no podemos convertir una tortilla en un huevo, y también que nunca los cubitos de hielo se crean espontáneamente a partir de un vaso de agua, ¿ por qué recordamos el pasado pero no el futuro? Para buscar el origen de la asimetría que nos muestra la experiencia debemos rastrear todo el camino de vuelta hacia al orden del universo, a un punto cerca del big bang. Así que, piensa que cada vez que rompes un huevo, lo que estás haciendo es cosmología observacional.
La flecha del tiempo es, posiblemente, la característica más importante del universo que los cosmólogos de hoy se encuentran incapaces de explicar. Sin embargo cada vez más, este puzzle sobre el universo que observamos, nos da indicios de la existencia de un espacio mucho más grande que no podemos observar. Y esta idea de que somos parte de una dinámica de multiversos, ayudaría a explicar las aparentemente características contra-natura de nuestra vecindad local.
El rompecabezas de la entropía
Los físicos encuadran el concepto de asimetría en el tiempo en la famosa segunda ley de la termodinámica: “la entropía en un sistema cerrado nunca disminuye”. A grandes rasgos, la entropía es una medida del desorden de un sistema. En el siglo 19, el físico austriaco Ludwig Boltzmann explicaba la entropía en términos de la distinción entre el microestado y el macroestado de un objeto. Si pides una taza de café, lo más probable es que se pueda ver su macroestado, cual es su temperatura, presión y otras características generales. El micro, por otro lado, determinaría la posición exacta y la velocidad de cada átomo en el líquido. Son muchos y muy distintos microestados los que corresponden a un particular macroestado: podríamos mover un átomo aquí y allá, y nadie encontaría la diferencia a escalas macroscópicas si no se le avisa.
La entropía es el número de diferentes microestados que corresponden a un mismo macroestado. (Técnicamente, es el número de dígitos, o logaritmo, de ese número.) Por lo tanto, hay más maneras de organizar un número determinado de átomos en una alta entropía que en la configuración de baja entropía. Imagínese que usted vierte la leche en su café. Hay una gran cantidad de formas de distribuir las moléculas de modo que la leche y el café están completamente mezclados entre sí, pero relativamente pocas maneras de organizarlo de forma que la leche se separe del café. Así que la mezcla tiene una mayor entropía.
Desde este punto de vista, no es de extrañar que la entropía tiende a aumentar con el tiempo. Los estados de Alta entropía superan en gran medida a los de baja entropía; casi ningún cambio en el sistema terrestre conduce a un estado de una mayor entropía, simplemente algunos que llegan a ese estado por la suerte en el sorteo de la probabilidad. Esa es la razón por la que leche se mezcla con el café, pero nunca se desmezclan. A pesar de que es físicamente posible para todas las moléculas de leche conspirar espontáneamente para organizarse a si mismas unas junto a otras, es estadísticamente muy improbable. Si usted tiene paciencia y espera para que suceda por sí mismo ese proceso de las moléculas organizándose al azar, por lo general, tendría que esperar mucho más tiempo que la actual edad del universo observable para verlo. La flecha del tiempo es simplemente la tendencia de los sistemas a evolucionar hacia una de los numerosos y naturales, estados de alta entropía.
Pero explicar por qué los estados de baja entropía se convierten en estados de alta entropía es diferente de explicar por qué la entropía está aumentando en nuestro universo. La pregunta sigue siendo: ¿Por qué la entropía era escasa al comienzo del universo? Parece muy poco natural, habida cuenta de que la baja entropía es un estado muy raro. Incluso si hacemos la concesión de que nuestro universo tiene hoy una entropía media, esto no explica por qué la entropía era aún menor entonces. De todas las posibles condiciones iniciales que podrían haber evolucionado hasta convertirse en un universo como el nuestro, la inmensa mayoría tienen mucho mayor entropía, no menos [véase "La flecha del tiempo", de David Layzer; Scientific American, diciembre de 1975].
En otras palabras, el verdadero reto no consiste en explicar por qué la entropía del universo será mayor mañana que hoy, sino en explicar por qué la entropía era menor ayer y aún más baja el día antes de ayer. Podemos rastrear esta lógica todo el camino de vuelta al principio de los tiempos en nuestro universo observable. En última instancia, la asimetría del tiempo es la pregunta a la que debe dar respuesta la cosmología.
El desorden del vacío
El universo temprano era un lugar increíble. Todas las partículas que componen el universo que observamos actualmente estaban condensadas en un denso volumen extraordinariamente caliente. Y lo que es más importante, es que se distribuyeron casi de manera uniforme en todo ese pequeño volumen. En promedio, la densidad difiere de un lugar a otro por sólo una parte en 100.000. Poco a poco, como el universo se ha expandido y enfriado, la fuerza de la gravedad ha hecho crecer esas diferencias. Las regiones con una pequeña cantidad mayor de partículas formaron estrellas y galaxias y las regiones con menor número de partículas se vaciaron ligeramente formado los vacíos entre ellas.
Evidentemente, la gravedad ha sido crucial para la evolución del universo. Lamentablemente, todavía no comprendemos plenamente la entropía cuando se trata de la gravedad. La Gravedad surge de la forma del espacio, pero no tenemos una teoría del espacio, que es el objetivo de una teoría cuántica de la gravedad. Considerando que podemos relacionar la entropía de un fluido para el comportamiento de las moléculas que lo constituyen, no sabemos qué es lo que constituye el espacio, por lo que no sabemos qué microestados gravitacionales corresponden a cualquier particular macroestado.
Sin embargo, tenemos una idea aproximada de cómo evoluciona la entropía. En situaciones donde la gravedad es despreciable, como una taza de café, una distribución uniforme de partículas tiene una alta entropía. Esta condición es un estado de equilibrio. Incluso cuando las partículas se remodelan, ya están bien mezcladas de manera que nada parece suceder macroscópicamente. Pero si la gravedad es importante y el volumen es fijo, una buena distribución es relativamente baja en entropía. En este caso, el sistema está muy lejos de equilibrio. La gravedad causa que las partículas se reunan en estrellas y galaxias, y la entropía aumenta notablemente-en consonancia con la segunda ley.
De hecho, si queremos maximizar la entropía de un volumen de gravedad cuando está activo, sabemos lo que vamos a obtener: un agujero negro. En el decenio de 1970 Stephen Hawking de la Universidad de Cambridge confirmo una provocadora sugerencia de Jacob D. Bekenstein, ahora en la Universidad Hebrea de Jerusalén, que los agujeros negros encajan perfectamente en la segunda ley. Al igual que los objetos calientes que la segunda ley se encargo inicialmente de describir, los agujeros negros emiten radiación y una gran cantidad de entropía. Un único agujero negro con millones de masas solares, como el que vive en el centro de nuestra galaxia, tiene 100 veces mayor entropía que todas las partículas ordinarias del universo observable.
Eventualmente, incluso los agujeros negros que se evaporan emiten radiación Hawking. Un agujero negro no tiene el más alto grado posible de entropía, sino sólo la más alta entropía que puede ser empaquetada en un determinado volumen. El volumen de espacio en el universo, sin embargo, parece ir en aumento sin ningún límite. En 1998 los astrónomos descubrieron que la expansión cósmica se está acelerando. La explicación más sencilla es la existencia de energía oscura, una forma de energía que existen en el espacio vacío y que no parece diluirse a medida que el universo se expande. No es la única explicación de la aceleración cósmica, pero los intentos para llegar a una idea mejor hasta el momento se han quedado cortos en comparación con ella.
Si la energía oscura no se diluye, el universo se expandirá para siempre. Las Galaxias distantes desaparecerán de la vista. (ver artículo en Con•ciencia sobre esto). Los agujero negros que no se derrumben, se evaporan en la oscuridad que los rodea como un charco se seca en un día caluroso. ¿como será este universo a todos los efectos estará vacío. Entonces, y sólo entonces, el universo verdaderamente habrá maximizado su entropía. El universo estará en equilibrio, y nada más llegará a suceder.
Puede parecer extraño que el espacio vacío tenga una enorme entropía. Suena como decir que la mayoría de los escritorios completamente vacíos del mundo son escritorios desordenados. La Entropía requiere microestados, y, a primera vista, el espacio vacío no tiene ninguno. En la actualidad, sin embargo, el espacio vacío tiene muchos microestados gravitatorios, microestados-cuánticos, que forman el tejido del espacio. No sabemos todavía qué son exactamente como son estos estados, no sabemos de ellos más de lo que sabemos que afectan a los microestados para la entropía de un agujero negro, pero lo que sí sabemos es que un universo acelerado la entropía esta en relación con el volumen observable en un valor constante y proporcional a la zona de sus fronteras. Es una verdaderamente enorme cantidad de entropía, mucho mayor que la que hay dentro de ese volumen.
Segunda parte del artículo
Por Sean M. Carroll SC
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