LA FLECHA DEL TIEMPO EN NUESTRO UNIVERSO II

¿Puede el tiempo ir hacia atrás en otros universos? 2ª Parte






Pasado vs futuro

La característica más destacada de esta historia es la marcada diferencia entre el pasado y el futuro. El universo empieza en un estado de muy baja entropía: partículas empaquetadas como un conjunto sin ningún problema. Su evolución se produce a través de un estado de entropía medio: la distribución desiguales de estrellas y galaxias que vemos alrededor de nosotros hoy. En última instancia se llega a un estado de alta entropía: casi a un espacio vacío, con sólo algún ocasional bajo consumo de energía por parte de algunas partículas.

¿Por qué son el pasado y el futuro diferentes? No basta con esgrimir simplemente la razón de una teoría de las condiciones iniciales por la cuales el universo se inició con baja entropía. Como filósofo Huw de la Universidad de Sidney ha señalado, que cualquier razonamiento que se aplique a las condiciones iniciales debería aplicarse también a las condiciones finales, o de lo contrario vamos a ser culpables de asumir precisamente lo que estábamos tratando de demostrar-que el pasado fue especial. O bien tenemos que asumir que la profunda asimetría del tiempo es una contundente característica del universo que escapa a las explicaciones, o bien tenemos que cavar más profundo en el funcionamiento del espacio y del tiempo.

Muchos cosmólogos han tratado de atribuir el tiempo la asimetría al proceso de inflación cosmológica. La inflación es una atractiva explicación para muchos aspectos básicos del universo. De acuerdo con esta idea, el universo muy temprano (o al menos alguna parte de el) no se llenó con las partículas, sino más bien con una forma temporal de la energía oscura, cuya densidad es enormemente superior a la energía oscura que observamos hoy. Esta energía provoco la expansión acelerada del universo de una manera fantástica, después de lo cual se “degradó” en la radiación, dejando tras de sí un pequeño rastro de la energía oscura que se está convirtiendo una vez más en algo importante hoy en día. El resto de la historia del big bang, desde el nacimiento primordial de gas a las galaxias y todo lo demás, simplemente sigue su evolución.

La motivación original para la inflación es proporcionar una sólida explicación de las condiciones de este “finamente sintonizado” universo temprano en particular, sobretodo la densidad uniforme de la materia en regiones muy distantes entre si. La aceleración impulsada por esa temporal “energía oscura” aliso el universo casi a la perfección. La distribución previa de la materia y la energía así es irrelevante; una vez que la inflación comienza, esta elimina cualquier rastro de las condiciones preexistentes, dejándonos un caliente, denso y “liso” universo temprano.

El paradigma inflacionario ha sido muy exitoso en muchos sentidos. Sus predicciones de las pequeñas desviaciones de la perfecta uniformidad de acuerdo con las observaciones de variaciones de densidad en el universo ha sido muy precisa. Como una explicación de la asimetría del tiempo, sin embargo, los cosmólogos cada vez más consideramos que es un argumento un poco tramposo, por razones que Roger Penrose de la Universidad de Oxford y otros han puesto de relieve. Para que el proceso trabaje como se desea, la energía oscura ultradensa tuvo que comenzar en una configuración muy concreta. De hecho, su entropía tuvo que ser increíblemente más pequeña que la entropía del caliente y denso gas en el que se degradó. Ello implica que la inflación no ha resuelto nada en realidad: ya que nos "explica" un estado de entropía inusualmente bajo (ese caliente, denso y uniforme gas que quedo) a través de una previa situación de aún más baja entropía (un espacio dominado por una ultradensa energía oscura). Es simplemente empujar el rompecabezas un paso hacía atrás: ¿Por qué la inflación ocurrió?
Una de las razones por muchos cosmólogos invocan la inflación como una explicación de la asimetría del tiempo asimetría es que la configuración inicial de la energía oscura no parece demasiado improbable. En el momento de la inflación, nuestro universo observable es de menos de un centímetro de ancho. De manera intuitiva, por ejemplo, podemos ver que una pequeña región como esta no tiene muchos microestados, por lo que no es tan improbable para el universo tropezar por accidente en el microestado correspondiente a la inflación.
Lamentablemente, esta intuición es engañosa. El universo temprano, aunque sea sólo de un centímetro de ancho, tiene exactamente el mismo número de microestados que todo el universo observable hoy en día. Según las reglas de la mecánica cuántica, el número total de microestados en un sistema nunca cambia. (La entropía no aumenta por el número de microestados que hay sino porque el sistema naturalmente va hacia el macroestado posible más genérico.) De hecho, el universo primitivo es el mismo sistema físico que el que que habrá al final de la vida del universo. Uno se transforma en el otro, después de todo.

Entre todas las formas en las microestados del universo puede desarrollar, sólo una fracción increíblemente pequeña corresponden sin problemas a una configuración de energía oscura ultradensa empaquetada en un volumen pequeño. Las condiciones necesarias para que empiece la inflación ( una configuración de muy baja entropía) son muy especializadas y, por tanto, complicadas. Si fueras a escoger las configuraciones del universo al azar, sería muy poco probable que dieras con las condiciones adecuadas para iniciar la inflación. La inflación no es, por sí sola, la explicación de por qué el universo temprano tiene una baja entropía, sino que simplemente asume que es así desde su nacimiento.


Un tiempo-universo simétrico

Por ello, la inflación no ayuda a explicar por qué el pasado es diferente del futuro. En una simple y audaz estrategia podemos elucubrar que tal vez el pasado no es diferente del futuro después de todo. Tal vez en el pasado lejano, al igual que el futuro lejano, hubiera en realidad un alto estado de entropía. Si es así, el caliente y denso estado que hemos venido llamando "el universo primitivo" no es en realidad el verdadero comienzo del universo, sino sólo un estado de transición entre etapas de su historia.

Algunos cosmólogos imaginan que el universo pasó por un "rebote." (Ver Universos Cíclicos en este Blog). Antes de este acontecimiento, el espacio se contrajo pero en lugar de simplemente “chocar” en un punto de densidad infinita, los nuevos principios físicos de la gravedad cuántica, otras dimensiones, la teoría de las cuerdas u otros fenómenos exóticos – cambiaron esto en el último minuto, y el universo “salió del otro lado” en lo que ahora percibimos como el big bang. Aunque intrigantes, las cosmologías del rebote no explican la flecha del tiempo. O la entropía está aumentando como antes de que el universo se acercase al crunch -en cuyo caso la flecha del tiempo se extiende infinitamente hacía atrás en el pasado-o bien la entropía está disminuyendo, en cuyo caso esta antinatural baja condición de entropía se produce en el centro de la historia del universo. De cualquier manera, hemos llegado a la cuestión de por qué la entropía cerca de lo que llamamos el big bang fue tan pequeña.

Pero si en cambio suponemos que el universo empezó en un alto estado de entropía, que es su estado más natural. Un buen candidato para ese estado es el espacio vacío. Al igual que cualquier buen alto estado entropía, la tendencia del espacio vacío es simplemente estar así, inmutable. Por lo tanto, el problema es:¿Cómo conseguimos nuestro universo actual partiendo de un espacio-tiempo solitario e inmutable?
El secreto podría consistir en la existencia de energía oscura.

En presencia de la energía oscura, el espacio vacío no está completamente vacío. Las fluctuaciones cuánticas de campo dar lugar a una temperatura muy baja-muy inferior a la temperatura de hoy del universo pero, no obstante, no al cero absoluto. Todos los campos cuánticos experimentan ocasionales fluctuaciones térmicas en ese universo. Esto significa que este no es perfectamente estático; si esperas el tiempo suficiente, las partículas individuales e incluso importantes grupos de partículas existirán de forma fluctuante, sólo para dispersarse una vez más en el vacío. (Estas partículas son reales, en contraposición a las de corta duración o partículas "virtuales" que contiene el espacio vacío, incluso en ausencia de la energía oscura.)
Entre las cosas que pueden fluctuar en existencia están esas pequeñas agrupaciones de ultradensa energía oscura. Si las condiciones son las correctas, pueden dar lugar a una pequeña inflación y formar un universo que nazca aparte de su propio universo-un nuevo universo bebé. Nuestro universo puede ser el hijo de algún otro universo.

Superficialmente, esta hipótesis tiene cierta semejanza con la teoría de la inflación. Esta también afirma que hay una pequeña masa inicial de ultradensa energía oscura que surge por casualidad,(probabilidad) encendiendo la inflación. La diferencia es la naturaleza de las condiciones iniciales. En la teoría infacionaria, esa masa inicial surgió en un universo fluctuando salvajemente, en el que la mayor parte de las fluctuaciones surgidas no producían nada parecido a la inflación. Pero parece ser mucho más probable para el universo fluctúar de forma directa hacia un big bang caliente, sin pasar del todo por la fase inflacionista. De hecho, en lo que respecta a la entropía, sería aún más probable para el universo fluctuar directamente a la configuración que vemos hoy, sin pasar por los últimos 14 millones de años de evolución cósmica.

En nuestro nuevo escenario, el universo preexistente nunca ha sido fluctuante al azar, sino que estaba en un estado muy concreto: el espacio vacío. Lo que esta teoría reclama y lo que queda por demostrar -es que la forma más probable de crear universos como el nuestro es que tal estado ya era preexistente y que paso por un período de inflación, en lugar de que se produjera una fluctuación con la inflación directamente. Nuestro universo, en otras palabras, es una fluctuación, pero no de forma aleatoria.


Esta hipótesis, propuesta en 2004 por Jennifer Chen de la Universidad de Chicago y por mi, proporciona una solución que provocaría un origen de la asimetría del tiempo en nuestro universo observable: vemos sólo una pequeña parcela de la gran imagen, y este escenario es solo una parte de un más amplio y plenamente - simétrico paisaje del tiempo . La Entropía puede aumentar sin límite mediante la creación de nuevos universos bebé.

Lo mejor de todo, es que esta historia puede ser contada hacia atrás y hacia adelante en el tiempo. Imagínate que empezamos con el espacio vacío en algún momento particular y lo vemos evolucionar en el futuro y en el pasado, (en cualquiera de los dos sentidos porque no estamos presumiendo una flecha unidireccional de tiempo). Los universos bebe fluctúan en su existencia en ambas direcciones del tiempo, a veces vacios y a veces dando a luz a nuevos universos bebés por su propia cuenta. En las escalas ultra-largas, tal multiverso sería estadísticamente simétrico con respecto al tiempo-tanto al pasado como al futuro, incorporando nuevos universos fluctuantes en los que en algún caso podría haber vida y muchos otros en los que no. Cada uno de ellos tendría una flecha de tiempo, pero en la mitad habría una flecha que se invierte con respecto a la de los demás.

La idea de un universo con una flecha hacia atrás del tiempo podría parecer alarmante. Si nos encontramos con alguien de ese universo, que recuerdan el futuro? Afortunadamente, no hay peligro de esa cita. En el escenario que estamos describiendo, los únicos lugares donde el tiempo parece correr hacia atrás son enormemente remonta a nuestro pasado-mucho antes de nuestro big bang. De entre una amplia extensión del universo en el que el tiempo no parece correr a todos, casi sin importar existe, y la entropía no evoluciona. Todos los seres que viven en uno de estos tiempo de revertir las regiones no se nace viejo y morir joven-o cualquier otra cosa fuera de lo común. Para ellos, tiempo de flujo en una forma totalmente convencional. Es sólo cuando se compara su universo a la nuestra que parece algo fuera de lo común de nuestro pasado es su futuro, y viceversa. Pero tal comparación es puramente hipotético, porque no podemos llegar y no pueden venir aquí.

A partir de ahora mismo, nuestro modelo tiene que ser juzgado. Los cosmólogos han contemplado la idea de los universos bebé durante muchos años, pero no entendiamos el proceso de parto. Si las fluctuaciones cuánticas podían crear nuevos universos, también podían crear muchas otras cosas - por ejemplo, toda una galaxia. Para que un escenario como el nuestro explique el universo que vemos, tiene que predecir porque la mayoría de las galaxias surgen a raíz del big bang,- como eventos que no son solo las fluctuaciones en un universo vacío. Si no es así, nuestro universo podría parecer muy antinatural.

Pero lo que podemos llevarnos con esta teoría no es solo un escenario para la estructura del espacio en escalas ultralargas. Podemos llevarnos ideas de que una característica que es notable en nuestro cosmos observable-la flecha del tiempo, derivada de unas condiciones de muy baja entropía en el universo temprano-pueden ser las pistas sobre la naturaleza de la todo del universo inobservable.

Como se mencionó al principio de este artículo, es bueno tener una imagen que se ajuste a los datos, pero los cosmólogos queremos más que eso: buscamos la comprensión de las leyes de la naturaleza y de nuestro particular universo en el que todo tiene sentido para nosotros. No queremos ser reducidos a aceptar la extrañas características de nuestro universo como hechos impuestos. La dramática asimetría de nuestro cosmos observable parece que nos ofrece una pista a algo más profundo-una pista para el funcionamiento último del espacio y del tiempo. Nuestra tarea como físicos es utilizar esta y otras pistas para crear una imagen de nuestro universo.

Si el universo observable es todo lo que existe, sería casi imposible explicar la flecha del tiempo de una forma natural. Pero si el universo que nos rodea es una pequeña pieza de un panorama mucho más amplio, nuevas posibilidades se abren para nosotros. Podemos concebir nuestro granito de arena del universo como una sola pieza del rompecabezas, parte de la tendencia de un sistema más amplio para aumentar su entropía, sin límite en el pasado lejano y en el lejano futuro. Parafraseando el físico Edward Tryon, el big bang es más fácil de entender si no es el comienzo de todo, si sólo es una de esas cosas que pasa de vez en cuando.
Otros investigadores están trabajando sobre estas ideas, ya que cada vez más los cosmólogos se están tomando en serio el problema planteado por la flecha del tiempo. Es bastante fácil de observar esta flecha, todo lo que tiene que hacer es mezclar un poco de leche en su café. Así solo bebiendo un café, puedes contemplar la forma en que simple acto puede ser la pista de todo un camino de regreso al comienzo de nuestro universo observable y quizá incluso, más allá.

SOBRE EL AUTOR
Sean M. Carroll es un investigador asociado de física en el California Institute of Technology. Su investigación se centra en cosmología, l física de partículas y Tería general de la relatividad, está especializado en el area de la energía oscura. Ha sido galardonado con becas de la Sloan Packard y otras fundaciones, así como por el Consejo de Estudiantes Graduados del MIT enseñanza y Premios como el de la Universidad de Villanova las Artes de antiguos Alumnos de Ciencias. Fuera de los círculos académicos, Carroll es muy conocido como colaborador de blogs.


Artículo original en Inglés para SA