Nadie sigue el rastro del tiempo mejor que Ferenc Krausz. En su laboratorio en el Instituto Max Planck de Óptica Cuántica Garching, Alemania, ha cronometrado los intervalos de tiempo más cortos jamás observados. Krausz usó pulsos láser ultravioleta para rastrear los irracionalmente breves saltos cuánticos de los electrones dentro de los átomos. Los eventos que investigó tardaron unos 100 attosegundos, o 100 trillonésimas de segundo. Para verlo con un poco de perspectiva, 100 attosegundos es a un segundo lo que un segundo a 300 millones de años.
Pero incluso los trabajos de Krausz están lejos de la frontera del tiempo. Hay un dominio temporal llamado escala de Planck, donde incluso los attosegundos parecen eones. Esto marca el límite de la física conocida, una región donde las distancias e intervalos son tan cortos que los mismos conceptos de espacio y tiempo comienzan a colapsar. El tiempo de Planck — la unidad más pequeña de tiempo que tiene sentido a nivel físico — es 10-43 segundos, menos de una billonésima de billonésima de un attosegundo. ¿Más allá qué hay? El tiempo desconocido. Al menos por ahora.
Los esfuerzos por comprender el tiempo por debajo de la escala de Planck han llevado coyunturas extremadamente extrañas de la física. El problema, resumiendo, es que el tiempo puede no existir al nivel más fundamental de la realidad física. Si esto es así, entonces, ¿qué es el tiempo? ¿Y por qué es tan obvia y tiránicamente omnipresente en nuestra propia experiencia? "El significado del tiempo se ha convertido en un algo terriblemente problemático en la física contemporánea", dice Simon Saunders, un filósofo de la física en la Universidad de Oxford. "La situación es tan incómoda que lo mejor que puede uno hacer, de lejos, es declararse agnóstico".
El problema con el tiempo comenzó hace un siglo, cuando las Teorías de la Relatividad Especial y General de Einstein derrumbaron la idea del tiempo como una constante universal. Una consecuencia es que pasado, presente y futuro no son absolutos. Las Teorías de Einstein también abrieron una grieta en la física debido a que las reglas de la relatividad general (que describen la gravedad y la estructura a gran escala del cosmos) parecen incompatibles con las de la física cuántica (que gobierna el dominio de lo diminuto). Unas cuatro décadas más tarde, el renombrado físico John Wheeler, entonces en Princeton, y el posteriormente Bryce DeWitt, entonces en la Universidad de Carolina del Norte, desarrollaron una extraordinaria ecuación que proporciona un posible marco de trabajo para unificar la relatividad y la mecánica cuántica. Pero la ecuación de Wheeler-DeWitt siempre ha sido controvertida, en parte debido a que añade otro, si cabe, giro aún más desconcertante a nuestra comprensión del tiempo.
"Uno se encuentra con que el tiempo simplemente desaparece en la ecuación de Wheeler-DeWitt", dice Carlo Rovelli, físico de la Universidad del Mediterráneo en Marsella, Francia. "Es un tema que ha desconcertado a muchos teóricos. Puede que la mejor forma de pensar en la realidad cuántica sea abandonando la noción de tiempo — que la descripción fundamental del universo debe ser atemporal".
Nadie ha tenido éxito en el uso de la ecuación de Wheeler-DeWitt para integrar la teoría cuántica con la relatividad general. No obstante, una minoría considerable de físicos, Rovelli inclusive, creen que alguna fusión exitosa de las dos grandes piezas maestras de la física del siglo XX inevitablemente describirán un universo en el que, finalmente, no hay tiempo.
La posibilidad de que puede no existir el tiempo es conocida entre los físicos como "el problema del tiempo". Puede ser el mayor, pero está lejos de ser el único acertijo temporal. El aspirante para la segunda plaza es este extraño hecho: Las leyes dela física no explican por qué el tiempo siempre apunta hacia el futuro. Todas las leyes – ya sean las de Newton, Einstein, o las estrafalarias reglas cuánticas — funcionarían igual de bien si el tiempo corriese hacia atrás. Hasta donde podemos decir, si bien, el tiempo en un proceso de único sentido; nunca se invierte, incluso aunque ninguna ley se lo impide.
"Es bastante misterioso por qué tenemos una flecha del tiempo tan obvia", dice Seth Lloyd, ingeniero de mecánica cuántica en el MIT. (Cuando le preguntamos qué es el tiempo, contesta, "No lo sé. ¿Hemos terminado?") "La explicación habitual de esto es que para especificar lo que sucede a un sistema, no sólo tienes que especificar las leyes físicas, sino también alguna condición inicial o final".
La madre de todas las condiciones iniciales, dice Lloyd, fue el Big Bang. Los físicos creen que el universo comenzó como una extremadamente compacta y simple bola de energía. Aunque las leyes de la física mismas no proporcionan una flecha del tiempo, la expansión actual del universo sí lo hace. Dado que el universo se expande, se hace más complejo y desordenado. El desorden creciente — lo que los físicos llaman un aumento de la entropía — está dirigido por la expansión del universo, lo cual puede ser el origen de lo que pensamos que es el incesante avance del tiempo.
El tiempo, desde este punto de vista, no es algo que exista fuera del universo. No hay un reloj haciendo tic-tac fuera del cosmos. La mayoría de nosotros tendemos a pensar en el tiempo de la forma que lo hizo Newton: "El tiempo absoluto, verdadero y matemático, por sí mismo y por su propia naturaleza, fluye de igual forma, sin importar nada externo". Pero como demostró Einstein, el tiempo es parte del tejido del universo. Contrariamente a lo que creía Newton, nuestros relojes comunes no miden algo independiente al universo. De hecho, dice Lloyd, los relojes no miden el tiempo en absoluto.
"Recientemente fui al Instituto Nacional de Estándares y Tecnología en Boulder", dice Lloyd. (NIST es el laboratorio del gobierno que alberga el reloj atómico que estandariza la hora para la nación). "Dije algo como, 'Vuestros relojes miden el tiempo con mucha precisión'. Ellos me dijeron, 'Nuestros relojes no miden tiempo'. Pensé: Guau, eso es algo muy humilde por parte de estos chicos. Pero dijeron, 'No hay ningún tiempo definido que nuestros relojes puedan medir'. Lo cual es cierto. Ellos definen los estándares del tiempo para el mundo: El tiempo está definido por el número de tics de sus relojes".
Rovelli, el defensor de un universo sin tiempo, dice que los guardianes del tiempo de NIST tienen razón. Además, su punto de vista es muy consistente con la ecuación de Wheeler-DeWitt. "En realidad nunca podemos ver el tiempo", dice. "Sólo vemos relojes. Si dices que este objeto se mueve, lo que en realidad significa es que este objeto estaba aquí cuando la manecilla de tu reloj estaba aquí, etc. Decimos que medimos el tiempo con relojes, pero sólo vemos las manecillas de los relojes, no el tiempo en sí mismo. Y las manecillas de un reloj son una variable física como cualquier otra. Por lo que en cierto sentido hacemos trampa debido a que lo que realmente observamos son variables físicas como una función de otra variable física, pero que representamos como si todo evolucionara con el tiempo.
"Lo que pasa con la ecuación de Wheeler-DeWitt es que tenemos que dejar de jugar a esto. En lugar de introducir estas variable ficticia — el tiempo, que en sí mismo no es observable — deberíamos simplemente describir cómo se relacionan las variables entre sí. La pregunta es, ¿el tiempo es una propiedad de la realidad o sólo una apariencia macroscópica de las cosas? Yo diría que es sólo un efecto macroscópico. Es algo que surge sólo para las cosas grandes".
Por "cosas grandes", Rovelli indica cualquier cosa que exista muy por encima de la misteriosa escala de Planck. Dado que por ahora no hay una teoría física que describa completamente cómo es el universo por debajo de la escala de Planck. Una posibilidad es que si los físicos consiguen alguna vez una teoría unificada de la cuántica y la relatividad general, el espacio y el tiempo se describirán mediante alguna versión modificada de la mecánica cuántica. En tal teoría, el espacio sería no sería suave y continuo. En lugar de eso, constaría de fragmentos discretos — quanta, en el argot de la física — así como la luz está compuesta de haces de energía individuales llamados fotones. Estos serían los ladrillos fundamentales del espacio y el tiempo. No es fácil imaginar que el espacio y el tiempo estén hechos de algo. ¿Dónde existirían los componentes del espacio y tiempo, sino en el espacio y el tiempo?
Como explica Rovelli, en la mecánica cuántica todas las partículas de materia y energía pueden describirse como ondas. Y las ondas tienen una propiedad inusual: Un número infinito de ellas pueden existir en la misma localización. Si se demuestra algún día que el espacio y el tiempo constan de quanta, los quanta podrían existir apilados en un único punto sin dimensión. "El espacio y el tiempo en cierto sentido se funden en este escenario", dice Rovelli. "No habrá más espacio. Sólo untos tipos de quanta viviendo unos sobre otros sin verse inmersos en el espacio".
Rovelli ha estado trabajando con uno de los matemáticos más importantes del mundo, Alain Connes de la Facultad de Francia en París, sobre esta idea. Juntos han desarrollado un marco de trabajo para demostrar cómo lo que experimentamos como tiempo podría surgir a partir de una realidad más fundamental sin tiempo. Como la describe Rovelli, "El tiempo puede ser un concepto aproximado que surge a grandes escalas — un poco como el concepto de "superficie del agua", que tiene sentido a nivel macroscópico pero que pierde un sentido preciso al nivel de los átomos".
Dándose cuenta de que esta explicación puede hacer más profundo el misterio del tiempo, Rovelli dice que gran parte del conocimiento que tomamos como bueno fue considerado una vez como igualmente perplejo. "Me doy cuenta de que esta descripción no es intuitiva. Pero de esto es de lo que trata la física fundamental: encontrar nuevas formas de pensamiento sobre el mundo, proponerlas y ver si funcionan. Creo que cuando Galileo dijo que la Tierra giraba alocadamente, era algo completamente incomprensible de la misma forma. El espacio para Copérnico no era el mismo espacio que para Newton, y el de Newton no era el mismo que el de Einstein. Siempre aprendemos un poco más".
Einstein, por ejemplo, encontró consuelo en su sentido revolucionario del tiempo. En marzo de 1955, cuando su amigo de toda la vida Michele Besso falleció, escribió una carta de consuelo a la familia de Besso: "Ahora él ha partido de este extraño mundo un poco antes que yo. Esto no significa nada. La gente como nosotros, que creen en la física, saben que la distinción entre el pasado, el presente y el futuro es sólo una ilusión obstinadamente persistente".
Rovelli siente que hay otro gran avance temporal a la vuelta de la esquina. "El artículo de 1905 de Einstein llegó y cambió repentinamente el pensamiento de la gente sobre el espacio-tiempo. Estamos de nuevo en medio de algo similar", dijo. Cuando el polvo se asiente, el tiempo – sea lo que sea eso – podría volverse incluso más extraño e ilusorio de lo que hasta Einstein pudo imaginar.
Pero incluso los trabajos de Krausz están lejos de la frontera del tiempo. Hay un dominio temporal llamado escala de Planck, donde incluso los attosegundos parecen eones. Esto marca el límite de la física conocida, una región donde las distancias e intervalos son tan cortos que los mismos conceptos de espacio y tiempo comienzan a colapsar. El tiempo de Planck — la unidad más pequeña de tiempo que tiene sentido a nivel físico — es 10-43 segundos, menos de una billonésima de billonésima de un attosegundo. ¿Más allá qué hay? El tiempo desconocido. Al menos por ahora.
Los esfuerzos por comprender el tiempo por debajo de la escala de Planck han llevado coyunturas extremadamente extrañas de la física. El problema, resumiendo, es que el tiempo puede no existir al nivel más fundamental de la realidad física. Si esto es así, entonces, ¿qué es el tiempo? ¿Y por qué es tan obvia y tiránicamente omnipresente en nuestra propia experiencia? "El significado del tiempo se ha convertido en un algo terriblemente problemático en la física contemporánea", dice Simon Saunders, un filósofo de la física en la Universidad de Oxford. "La situación es tan incómoda que lo mejor que puede uno hacer, de lejos, es declararse agnóstico".
El problema con el tiempo comenzó hace un siglo, cuando las Teorías de la Relatividad Especial y General de Einstein derrumbaron la idea del tiempo como una constante universal. Una consecuencia es que pasado, presente y futuro no son absolutos. Las Teorías de Einstein también abrieron una grieta en la física debido a que las reglas de la relatividad general (que describen la gravedad y la estructura a gran escala del cosmos) parecen incompatibles con las de la física cuántica (que gobierna el dominio de lo diminuto). Unas cuatro décadas más tarde, el renombrado físico John Wheeler, entonces en Princeton, y el posteriormente Bryce DeWitt, entonces en la Universidad de Carolina del Norte, desarrollaron una extraordinaria ecuación que proporciona un posible marco de trabajo para unificar la relatividad y la mecánica cuántica. Pero la ecuación de Wheeler-DeWitt siempre ha sido controvertida, en parte debido a que añade otro, si cabe, giro aún más desconcertante a nuestra comprensión del tiempo.
"Uno se encuentra con que el tiempo simplemente desaparece en la ecuación de Wheeler-DeWitt", dice Carlo Rovelli, físico de la Universidad del Mediterráneo en Marsella, Francia. "Es un tema que ha desconcertado a muchos teóricos. Puede que la mejor forma de pensar en la realidad cuántica sea abandonando la noción de tiempo — que la descripción fundamental del universo debe ser atemporal".
Nadie ha tenido éxito en el uso de la ecuación de Wheeler-DeWitt para integrar la teoría cuántica con la relatividad general. No obstante, una minoría considerable de físicos, Rovelli inclusive, creen que alguna fusión exitosa de las dos grandes piezas maestras de la física del siglo XX inevitablemente describirán un universo en el que, finalmente, no hay tiempo.
La posibilidad de que puede no existir el tiempo es conocida entre los físicos como "el problema del tiempo". Puede ser el mayor, pero está lejos de ser el único acertijo temporal. El aspirante para la segunda plaza es este extraño hecho: Las leyes dela física no explican por qué el tiempo siempre apunta hacia el futuro. Todas las leyes – ya sean las de Newton, Einstein, o las estrafalarias reglas cuánticas — funcionarían igual de bien si el tiempo corriese hacia atrás. Hasta donde podemos decir, si bien, el tiempo en un proceso de único sentido; nunca se invierte, incluso aunque ninguna ley se lo impide.
"Es bastante misterioso por qué tenemos una flecha del tiempo tan obvia", dice Seth Lloyd, ingeniero de mecánica cuántica en el MIT. (Cuando le preguntamos qué es el tiempo, contesta, "No lo sé. ¿Hemos terminado?") "La explicación habitual de esto es que para especificar lo que sucede a un sistema, no sólo tienes que especificar las leyes físicas, sino también alguna condición inicial o final".
La madre de todas las condiciones iniciales, dice Lloyd, fue el Big Bang. Los físicos creen que el universo comenzó como una extremadamente compacta y simple bola de energía. Aunque las leyes de la física mismas no proporcionan una flecha del tiempo, la expansión actual del universo sí lo hace. Dado que el universo se expande, se hace más complejo y desordenado. El desorden creciente — lo que los físicos llaman un aumento de la entropía — está dirigido por la expansión del universo, lo cual puede ser el origen de lo que pensamos que es el incesante avance del tiempo.
El tiempo, desde este punto de vista, no es algo que exista fuera del universo. No hay un reloj haciendo tic-tac fuera del cosmos. La mayoría de nosotros tendemos a pensar en el tiempo de la forma que lo hizo Newton: "El tiempo absoluto, verdadero y matemático, por sí mismo y por su propia naturaleza, fluye de igual forma, sin importar nada externo". Pero como demostró Einstein, el tiempo es parte del tejido del universo. Contrariamente a lo que creía Newton, nuestros relojes comunes no miden algo independiente al universo. De hecho, dice Lloyd, los relojes no miden el tiempo en absoluto.
"Recientemente fui al Instituto Nacional de Estándares y Tecnología en Boulder", dice Lloyd. (NIST es el laboratorio del gobierno que alberga el reloj atómico que estandariza la hora para la nación). "Dije algo como, 'Vuestros relojes miden el tiempo con mucha precisión'. Ellos me dijeron, 'Nuestros relojes no miden tiempo'. Pensé: Guau, eso es algo muy humilde por parte de estos chicos. Pero dijeron, 'No hay ningún tiempo definido que nuestros relojes puedan medir'. Lo cual es cierto. Ellos definen los estándares del tiempo para el mundo: El tiempo está definido por el número de tics de sus relojes".
Rovelli, el defensor de un universo sin tiempo, dice que los guardianes del tiempo de NIST tienen razón. Además, su punto de vista es muy consistente con la ecuación de Wheeler-DeWitt. "En realidad nunca podemos ver el tiempo", dice. "Sólo vemos relojes. Si dices que este objeto se mueve, lo que en realidad significa es que este objeto estaba aquí cuando la manecilla de tu reloj estaba aquí, etc. Decimos que medimos el tiempo con relojes, pero sólo vemos las manecillas de los relojes, no el tiempo en sí mismo. Y las manecillas de un reloj son una variable física como cualquier otra. Por lo que en cierto sentido hacemos trampa debido a que lo que realmente observamos son variables físicas como una función de otra variable física, pero que representamos como si todo evolucionara con el tiempo.
"Lo que pasa con la ecuación de Wheeler-DeWitt es que tenemos que dejar de jugar a esto. En lugar de introducir estas variable ficticia — el tiempo, que en sí mismo no es observable — deberíamos simplemente describir cómo se relacionan las variables entre sí. La pregunta es, ¿el tiempo es una propiedad de la realidad o sólo una apariencia macroscópica de las cosas? Yo diría que es sólo un efecto macroscópico. Es algo que surge sólo para las cosas grandes".
Por "cosas grandes", Rovelli indica cualquier cosa que exista muy por encima de la misteriosa escala de Planck. Dado que por ahora no hay una teoría física que describa completamente cómo es el universo por debajo de la escala de Planck. Una posibilidad es que si los físicos consiguen alguna vez una teoría unificada de la cuántica y la relatividad general, el espacio y el tiempo se describirán mediante alguna versión modificada de la mecánica cuántica. En tal teoría, el espacio sería no sería suave y continuo. En lugar de eso, constaría de fragmentos discretos — quanta, en el argot de la física — así como la luz está compuesta de haces de energía individuales llamados fotones. Estos serían los ladrillos fundamentales del espacio y el tiempo. No es fácil imaginar que el espacio y el tiempo estén hechos de algo. ¿Dónde existirían los componentes del espacio y tiempo, sino en el espacio y el tiempo?
Como explica Rovelli, en la mecánica cuántica todas las partículas de materia y energía pueden describirse como ondas. Y las ondas tienen una propiedad inusual: Un número infinito de ellas pueden existir en la misma localización. Si se demuestra algún día que el espacio y el tiempo constan de quanta, los quanta podrían existir apilados en un único punto sin dimensión. "El espacio y el tiempo en cierto sentido se funden en este escenario", dice Rovelli. "No habrá más espacio. Sólo untos tipos de quanta viviendo unos sobre otros sin verse inmersos en el espacio".
Rovelli ha estado trabajando con uno de los matemáticos más importantes del mundo, Alain Connes de la Facultad de Francia en París, sobre esta idea. Juntos han desarrollado un marco de trabajo para demostrar cómo lo que experimentamos como tiempo podría surgir a partir de una realidad más fundamental sin tiempo. Como la describe Rovelli, "El tiempo puede ser un concepto aproximado que surge a grandes escalas — un poco como el concepto de "superficie del agua", que tiene sentido a nivel macroscópico pero que pierde un sentido preciso al nivel de los átomos".
Dándose cuenta de que esta explicación puede hacer más profundo el misterio del tiempo, Rovelli dice que gran parte del conocimiento que tomamos como bueno fue considerado una vez como igualmente perplejo. "Me doy cuenta de que esta descripción no es intuitiva. Pero de esto es de lo que trata la física fundamental: encontrar nuevas formas de pensamiento sobre el mundo, proponerlas y ver si funcionan. Creo que cuando Galileo dijo que la Tierra giraba alocadamente, era algo completamente incomprensible de la misma forma. El espacio para Copérnico no era el mismo espacio que para Newton, y el de Newton no era el mismo que el de Einstein. Siempre aprendemos un poco más".
Einstein, por ejemplo, encontró consuelo en su sentido revolucionario del tiempo. En marzo de 1955, cuando su amigo de toda la vida Michele Besso falleció, escribió una carta de consuelo a la familia de Besso: "Ahora él ha partido de este extraño mundo un poco antes que yo. Esto no significa nada. La gente como nosotros, que creen en la física, saben que la distinción entre el pasado, el presente y el futuro es sólo una ilusión obstinadamente persistente".
Rovelli siente que hay otro gran avance temporal a la vuelta de la esquina. "El artículo de 1905 de Einstein llegó y cambió repentinamente el pensamiento de la gente sobre el espacio-tiempo. Estamos de nuevo en medio de algo similar", dijo. Cuando el polvo se asiente, el tiempo – sea lo que sea eso – podría volverse incluso más extraño e ilusorio de lo que hasta Einstein pudo imaginar.
