Quédate quieto, o quieta, un momento. No hagas nada y piensa: ¿por qué sabes que está pasando el tiempo? ¿Necesitas que ocurran cosas para poder decir que el tiempo está pasando? ¿Qué cosas? La respuesta a estas preguntas es mucho más complicada de lo que podría parecer a priori. De hecho, a día de hoy no tenemos respuesta al porqué del paso del tiempo.

En su teoría de la Relatividad, Einstein nos enseñó que el tiempo ha de ser tratado como una dimensión física más. El binomio espacio-tiempo se convirtió en inseparable. Pero en la cabeza de los físicos y filósofos empezó a resonar con mucha fuerza una pregunta: si son iguales ¿por qué existe una flecha del tiempo que no tiene equivalente espacial? Es decir, ¿por qué yo puedo moverme “libremente” adelante y atrás en el espacio y no en el tiempo?

En este post vamos a ahondar en la flecha del tiempo, o lo que es lo mismo, el irreversible transcurso del tiempo en una determinada dirección, del pasado al futuro.  Pero antes de nada, analicemos unas cuantas definiciones de tiempo, a ver si nos dicen algo.

¿Qué es el tiempo?

Existen infinidad de definiciones de tiempo. Aún siendo uno de los ingredientes fundamentales de nuestro de día a día, resulta extremadamente difícil de definir. Lo primero que a uno se le viene a la cabeza son, habitualmente, manifestaciones del tiempo, como por ejemplo, los tics de un reloj. Pero estas manifestaciones no son capaces de encapsular en profundidad el concepto de tiempo.

Se le atribuye a Einstein (y otros) la siguiente definición: el tiempo es lo que un reloj mide. Sin embargo, esta definición adolece justamente de lo que acabamos de comentar, no es capaz de decirnos qué es exactamente el tiempo, más bien nos dice que es medible y cómo hacerlo.

Otra definición, un poco más satisfactoria, nos la da el filosofo Adolf Grünbaum, y reza: el tiempo es un continuo lineal de instantes. En esta definición encontramos dos cosas interesantes. La primera es que nos habla de un tiempo lineal, es decir, un tiempo cuya velocidad de transcurso permanece igual siempre. La segunda es que introduce la noción de instante que podría verse en este contexto como el presente.

Veamos más. El físico John Wheeler nos dice que el tiempo es lo que previene de que todo pase a la vez. Podemos también encontrar definiciones un tanto más elaboradas, como por ejemplo la que nos da el Science Dictionary: el tiempo es un continuo, una cantidad medible en la cual los eventos ocurren en una determinada secuencia que va desde el pasado, a través del presente, hasta el futuro.

Como veis, definir el tiempo no es nada fácil, y por supuesto no existe un acuerdo entorno a una definición correcta. Pero si nos fijamos un poquito en las definiciones anteriores vemos que en todas ellas la definición de tiempo hace uso de un transcurso, de un paso del tiempo que además tiene una dirección muy concreta.

La flecha del tiempo

Efectivamente parece que venimos de un pasado, fijo e inmutable, y nos dirigimos al futuro, que no está necesariamente fijado. De hecho, podríamos decir que el futuro está compuesto por una infinidad de posibilidades, un conjunto de instantes que lo único que tienen en común es un pasado causal. ¿Podría ser esto una ilusión creada por nuestra mente?

Vamos a pensar en un experimento cualquiera que podamos hacer, como dejar un hielo en la mesa y esperar a que se derrita. Estaremos de acuerdo en que este proceso es irreversible, es decir, en ningún caso dejaremos agua en la mesa y espontáneamente ésta se hará hielo. ¿Marca esto una dirección preferente en cómo suceden las cosas? Pues sí, efectivamente parece que existe una asimetría temporal.

A esta dirección o asimetría se le denomina flecha del tiempo. Podríamos decir que es el inevitable flujo del tiempo en una única y aparentemente inevitable dirección. Parece que la idea de la flecha del tiempo viene de Sir Arthur Eddington en el año 1927. Para él, la flecha del tiempo es algo inherente al Universo. Da igual quién o qué la experimente, da igual si nos referimos a los Seres Humanos o a extraterrestres, todos y todo está inexorablemente sujeto a este flujo desde el pasado y hacía el futuro.

¿Ilusión o realidad?

Como acabamos de ver con el ejemplo del hielo, para nosotros es inconcebible que éste sea un proceso reversible. Si lo grabamos en video y luego probamos a verlo marcha atrás, sabremos de sobra que estamos viendo el proceso en dirección opuesta a cómo ha ocurrido, es decir, somos capaces de definir una dirección en el tiempo. De hecho, todos los procesos que ocurren a nuestro alrededor son distinguibles en este sentido, es decir, tienen esta asimetría temporal.

¡Y ahora es cuando viene el desconcierto total! A pesar de que como decimos, todos los procesos macroscópicos (grandes, a nuestras escalas de tamaño, para entendernos) son asimétricos, a nivel microscópico…¡todos son simétricos! O sea, ¿que el mundo macroscópico funciona de una manera en relación al tiempo, y el microscópico, que es el que compone al macro, funciona de otra? ¡Sí!

Ahora es cuando uno se plantea seriamente que la flecha del tiempo es una ilusión, una propiedad emergente que aparece cuando la complejidad de lo macroscópico aparece. La mayoria de procesos físicos que podemos pensar a nivel microscópico se describen con leyes físicas que son invariantes temporales. Es decir, si ponemos el video al revés no seríamos capaces de distinguir la dirección del tiempo. Pero hay una excepción notable que podría estar revelando la verdadera naturaleza del tiempo: la Segunda Ley de la Termodinámica.

La inevitable creación de entropía

La Segunda Ley de la Termodinámica constituye una de las leyes más potentes en física. Es, de hecho, el principio fundamental que establece la irreversibilidad de los procesos físicos. Nos suena, ¿verdad? sin embargo, esta ley no nos habla del tiempo. ¿Es esto una pista?

El enunciado de la Segunda Ley de la Termodinámica es el siguiente: en cualquier proceso físico que tenga lugar en un sistema aislado, o cerrado (como el propio Universo), la entropía neta ha de crecer hasta alcanzar un máximo, estado al que llamamos equilibrio. ¿Y qué es la entropía? Esta variable termodinámica mide el desorden de un sistema. Es algo así como el número de microestados posibles que son compatibles con un macroestado dado. Siempre es mejor poner un ejemplo para entendernos…

Volvamos al ejemplo anterior en el que dejabamos el hielo en la mesa. La diferencia entre un hielo y el agua en estado líquido radica en la energía térmica que poseen las moléculas que los componen. A menor temperatura, menor energía, lo que se traduce en que la velocidad de las moléculas es más baja y por tanto podemos decir que se están más quietas, más ordenadas.

Cuando dejamos el hielo en la mesa se empieza a producir un intercambio de calor, de energía con el ambiente, lo que se traduce en velocidad de las moléculas. El hielo, que era un estado de relativo ordenamiento, pasa a ser un estado de relativo desorden, ya que todas las moléculas de agua se empezarán a mover más rápido. Es ahora más fácil de ver que las posibilidades de colocar las moléculas a nivel microscópico sin que nada cambie a nivel macroscópico son menores en el hielo que en el agua. Por lo tanto, la entropía del hielo es menor que la del agua. Este proceso seguirá hasta que se alcance el equilibrio.

Esquema de la entropía en el paso de hielo a agua. A la izquierda (hielo) vemos una ordenación muy grande. A la derecha (agua) vemos que ha crecido el desorden. Crédito: Boundless.com

Hay que decir que la entropía es una propiedad emergente, sólo tiene sentido hablar de ella a nivel macroscópico ¡a nivel microscópico no existe! No tiene sentido hablar de la entropía de una molécula individualmente, pero si de la entropía de un conjunto de ellas.

La correspondencia entre tiempo y entropía

Por lo tanto, la entropía y el tiempo tienen dos características en común muy llamativas. Ambas parecen comportarse diferente a nivel microscópico. En el caso del tiempo veíamos que las leyes de la física que rigen el comportamiento de la materia en escalas de tamaño reducidas, no entendían de dirección temporal, son simétricas. En el caso de la entropía era aún más sorprendente ya que esta cantidad siquiera existe a tales escalas.

Además a escalas macroscópicas, ambas cantidades tienen una dirección fija. Mientras, según la Segunda Ley de la Termodinámica, la entropía solo puede crecer y crecer, el tiempo pasa y pasa irreversiblemente. Demasiado parecidas, ¿verdad?

Y es que una de las teorías más plausibles y extendidas es que la flecha del tiempo sea una consecuencia de la Segunda Ley de la Termodinámica. Todo esta en un constante cambio de estado, aumentando su entropía, y puede que el paso del tiempo sea nuestra traducción de este fenómeno, una ilusión que emerge desde las profundidades de la física microscópica.

La entropía del Universo

En este punto alguien podría estar pensando que, en nuestro ejemplo anterior, si mete el agua en el congelador, la entropía habrá decrecido, ¡cierto! ¿Hemos revertido así el paso del tiempo? La respuesta es no. En este caso habría que ver el congelador como parte de nuestro sistema. A éste le cuesta una energía realizar ese trabajo, bajar la temperatura y por tanto ordenar el agua. Este trabajo aumentaría la entropía del nuevo sistema haciendo que todo siga su curso “normal”.

Si miramos las galaxias o cúmulos de galaxias, las formaciones más grandes de nuestro Universo, aunque no parezca intuitivo, la entropía en estos casos también crece. De hecho, la mayoría de la entropía de nuestro Universo proviene de los agujeros negros. Estos objetos son una gigantesca fuente de desorden. El hecho de que la entropía del Universo siga creciendo nos dice que éste, como sistema, está lejos del equilibrio, evoluciona irreversiblemente buscando este estado.

Crab Nebula. El resultado de la explosión de una supernova creando así un estado con mucha entropía. Crédito: NASA, ESA, J. Hester, A. Loll (ASU)

Pero entonces, ¿por qué el Universo no se creó en un estado de equilibrio desde el inicio? Esto es un misterio. Solo sabemos que a día de hoy todas las observaciones parecen indicar que el Universo comenzó en un estado fuera del equilibrio, lo que corresponde a un estado muy improbable. ¿Entonces es esta la razón de que la entropía siga creciendo y que nosotros veamos un paso del tiempo? A esto aún no podemos responder.

¿Propiedad emergente o fundamental del Universo?

No esta claro. No podemos asegurar que el paso del tiempo sea una ilusión creada por la Segunda Ley de la Termodinámica. Básicamente no podemos hacer esto porque aún nos queda mucho por descubrir, y somos conscientes de ello.

Quizá en un futuro, cuando descubramos mucho más acerca de la Naturaleza en sus escalas más diminutas, podamos enunciar una ley en cual la irreversibilidad del tiempo es un hecho, no se crea. De hecho existen en la actualidad teorías que enuncian que esto debiera ser así, que el paso del tiempo es algo fundamental, no una propiedad emergente.

Sea como sea, lo cierto es que estamos aquí haciéndonos la pregunta ¿por qué pasa el tiempo? Y quizá sea algo que jamás podamos llegar a responder con toda seguridad. Porque la vida, en todas sus posibles formas, podría ser un intento del Universo por alcanzar su estado de equilibrio más rápido, y la flecha del tiempo solo ser una artimaña de nuestro cerebro para entender lo que nos rodea. Como un truco de magia que no tiene solución.