Hay mucho que aprender sobre el tiempo. Creo que es una de las partes de la física más intuitivas, interesantes y menos entendidas.
El tiempo nos parece muy claro. Parece tener una dirección clara, una velocidad clara, parece fluir universalmente, no parece tener mucho que ver con el espacio. Parece que solo hay un “ahora”, con un pasado pasado y un futuro inexistente, y parece haber una sola línea de tiempo.
Pero, como suele ocurrir con la física, las cosas no siempre son lo que parecen …
La dirección del tiempo
Hay tres flechas de tiempo que probablemente no están conectadas entre sí;
- el dado por las interacciones débiles
- el dado por entropía
- el dado por la expansión del Universo (cambio rojo)
La flecha del tiempo dada por las interacciones débiles
Existe una simetría, implícita en la teoría cuántica de campos, que nunca es violada por ningún proceso conocido. Se llama la simetría CPT (carga-paridad-tiempo), y dice que si tomas el Universo y todo lo que contiene y voltea la carga eléctrica (C), invierte todo como a través de un espejo (P) e invierte la dirección de tiempo (T), entonces las leyes básicas de la física siguen funcionando igual.
Puede pensar que simplemente invirtiendo la paridad, todas las leyes de la física también deberían funcionar exactamente igual, ya que todo parece perfectamente normal si solo cambiamos la paridad. Quiero decir, mirando cómo se comporta nuestra imagen espejo, no nos parece nada natural. Todas las leyes de movimiento de Newton todavía se comportan exactamente de manera similar. Pero aquí es donde entra la primera flecha del tiempo, dada por las interacciones débiles.
Cuando los neutrones se descomponen en un protón, dispara un electrón y un neutrino anti-electrón. Pero dado que un neutrón tiene un giro, por lo que define un “norte” y un “sur” en analogía con la forma en que gira la Tierra, resulta que el electrón emitido durante la desintegración β siempre sale disparado del “polo sur” del neutrón.
Pero dentro de un espejo, este giro se invierte, por lo que el espejo mostraría una situación completamente imposible.
Cuando el tiempo y la carga también se invierten, esto se comporta perfectamente normal nuevamente. Lo que llamamos antipartículas son partículas invertidas de carga y paridad (CP), que por lo tanto se comportan exactamente como las partículas normales invertidas en el tiempo. Es solo que hay tantas partículas más regulares, que hemos prefijado las versiones invertidas de CP de corta duración con “anti”. Cuando un antineutrón se descompone en un antiprotón y dispara un positrón y un electrón-neutrino, el positrón sale de su “polo norte”.
Lo que para nosotros, en este Universo, se consideran partículas regulares, puede verse igualmente como las antipartículas de las otras versiones menos regulares. Cuando una partícula se encuentra con su antipartícula, se aniquilan.
La flecha del tiempo dada por la entropía
Pero la flecha del tiempo dada por las interacciones débiles de las partículas más comunes que tenemos en este universo, no tiene nada que ver con lo que nos hace conocer los detalles del pasado con mucha más claridad que los detalles del futuro. Es el aumento continuo de la entropía hacia una dirección del tiempo que es completamente responsable de lo que llamamos “tiempo” en nuestra vida cotidiana.
Piense en la entropía como la medida del desorden de un sistema, refiriéndose a la cantidad de estados microscópicos en los que puede estar. Por ejemplo, cuando disparamos al billar y golpeamos el grupo ordenado de bolas de billar dentro del triángulo, es más probable que la entropía incrementar. Pero si de alguna manera todas esas bolas se mueven en la dirección y velocidad exactamente opuestas, después de nuestro primer disparo, en realidad se encontrarían nuevamente en la forma del triángulo de entropía inferior.
Según la física, no hay nada que diga que la situación inversa es una situación imposible , pero es muy poco probable . ¡Imagine entonces lo increíblemente improbable que esto debe ser para las partículas que forman nuestro Universo! Cuando miramos una grabación de video que se reproduce al revés, todas las cosas que nos parecen extrañas allí, son fenómenos que simplemente muestran una disminución no natural de la entropía. Todos los fenómenos extraños a la inversa se explican por ello. Todo ello.
Las bolas comienzan a moverse inmóviles y de repente golpean más y más alto, porque el movimiento caótico de las moléculas (calor) del piso se “ tuneliza ” de repente al unísono en el momento justo en una sola dirección hacia la pelota. Luke agua tibia en una bañera, cambiando a agua caliente por un lado, y agua fría por el otro lado. Agitando una caja con bolas blancas y negras, lo que da como resultado bolas negras perfectamente separadas a la izquierda y blancas a la derecha. Bebés resolviendo cubos de Rubik. Huevos sin freír. Etcétera etcétera….
A pesar de que todos estos fenómenos antinaturales que disminuyen la entropía son técnicamente físicamente posibles en la vida real, es ridículamente improbable, similar a la situación (mucho más probable) de las bolas de billar que se juntan en forma de triángulo ordenado. Pero si realmente nos acercáramos solo a unas pocas partículas dentro de cualquiera de estos ejemplos inversos de entropía extraña, ahora en realidad se ve perfectamente normal. Cada interacción entre unas pocas partículas siempre se ve perfectamente natural, se juega hacia adelante o hacia atrás en el tiempo, al igual que cualquier colisión entre dos bolas de billar siempre se ve perfectamente normal cuando se juega hacia atrás o hacia adelante. Todo tiene que ver con que haya más posibilidades para que el sistema en general entre en un aumento de la entropía, que una disminución de la entropía.
La única razón por la que hay tantas más posibilidades de un aumento en el desorden, por qué siempre vemos que aumenta la entropía y por qué experimentamos esta dirección del tiempo, es porque en un lado de la dimensión del tiempo había de alguna manera este estado extremadamente bajo de entropía, justo después de lo que llamamos el Big Bang. Con un Big Bang en el “otro lado” de la dimensión del tiempo, simplemente experimentaríamos que el tiempo fluye lejos de esa dirección de baja entropía, pero nuestras partículas actuales se verían como sus antipartículas invertidas CP. Tal vez todo el tiempo antes de que el Big Bang tenga entropía aumentando hacia la otra dirección, y es ese el lado donde se fueron todas nuestras antipartículas faltantes.
El tiempo que parece tener una dirección fundamental es algo análogo al espacio que parece tener también una dirección para nosotros, al estar cerca de una fuente de gravedad.
La razón por la que es mucho más fácil para nosotros conocer los detalles del pasado, y no los detalles del futuro, es porque termina siendo más preciso y más fácil de calcular hacia la dirección de entropía más baja , incluso cuando solo se procesa un fragmento de la información proporcionada, como por ejemplo una pequeña parte de la luz reflejada por una superficie.
La dirección de tiempo de entropía más alta, por otro lado, es mucho menos precisa de calcular, especialmente cuando se maneja solo un fragmento de información. Con solo un pequeño error de cálculo, la diferencia podría aumentar para poner en marcha otras cosas que no se tuvieron en cuenta, incluso ignorando la naturaleza probabilística de nuestra realidad. Si solo una bola de billar golpea otro triángulo ordenado de bolas de billar en la mesa, vemos una situación completamente diferente en el futuro. Pero calcular al revés es mucho más fácil.
Solo tenemos que mirar un huevo roto en el suelo, e inmediatamente sabemos que antes era un huevo sin romper. Pero cuando miramos un huevo sin romper, no sabemos si se va a caer, si se come o si se pudre en algún lugar: hay demasiadas ramas para las que necesitamos información más detallada para calcular. Por supuesto, nuestros cerebros calculan tanto el lado futuro como el pasado, es solo que un lado es mucho más claro que el otro, a pesar de que también perdemos muchos detalles de la historia, cuanto más avanzamos. Pero perdemos los detalles del futuro mucho más rápido.
Mientras estemos vivos, nuestros cuerpos evolucionados están luchando contra el aumento de la entropía donde no es deseada, al consumir fuentes de energía de baja entropía y excretar lo que hemos comido en una forma de entropía más alta. No es suficiente solo recibir energía, necesitamos energía libre : [matemáticas] F \ equiv U – TS [/ matemáticas], donde [matemáticas] F [/ matemáticas] es energía libre, [matemáticas] U [/ matemáticas] es regular energía, [matemáticas] T [/ matemáticas] es la temperatura, y [matemáticas] S [/ matemáticas] es la entropía. Tenga en cuenta que el término [matemáticas] TS [/ matemáticas] viene con un signo negativo.
Por ejemplo, el mar tiene mucha energía térmica, pero de ninguna manera es energía libre. Obtenemos mucha energía libre de baja entropía en forma de radiación de longitud de onda corta del Sol, que luego vuelve a irradiarse en gran medida al espacio. ¿La diferencia? La radiación de la Tierra se apaga como luz de onda larga con entropía adicional:
Nuestros propios cuerpos consumen energía de baja entropía de los alimentos y emiten radiación de alta longitud de onda larga de alta entropía, y tratan de mantenerse en un estado de baja entropía, mediante la “reparación” continua. La información en nuestros cerebros, por otro lado, depende mucho del mecanismo natural de aumentar la entropía. Solo piense en un paquete de datos agradable y ordenado en forma de fotones, que ingrese a nuestros ojos y golpee nuestras retinas, lo que desencadena este curso de colisión de interpretaciones dentro de nuestros cerebros. Nuevamente, lo contrario también es técnicamente posible, pero extremadamente improbable: nuestros cerebros emiten señales a nuestros ojos, disparando fotones desde nuestras retinas.
Complejidad vs entropía
La razón por la que vemos mucha complejidad a nuestro alrededor, como por ejemplo la amplia gama de átomos y moléculas complejas, que forman criaturas vivientes increíblemente complejas, en lugar de tener simplemente hidrógeno y un poco de helio, es porque estamos viviendo en un ambiente altamente compleja “fase intermedia” de nuestro universo. Para demostrar esto, podemos usar una taza de café y leche como analogía.
En la primera situación hay baja entropía, acompañada de baja complejidad. Con la copa en el medio, encontramos la mayor complejidad y una entropía algo mayor, pero la tercera copa tiene una entropía máxima, pero volvió a un estado de muy baja complejidad.
Piense en la información de la situación en la segunda copa como la más difícil de comprimir en un archivo zip. Esta situación es la forma en que vemos nuestro Universo hoy.
Cuando la entropía se ha vuelto máxima, esta flecha del tiempo se pierde. Esto se conoce como la muerte por calor del universo.
La relatividad del tiempo
No es improbable que el espacio emerja realmente de la Mecánica Cuántica, donde las partes que están muy enredadas se consideran cercanas, mientras que las partes desenredadas están muy lejos. Las ecuaciones de Schrödinger no tienen espacio, solo tiempo, y tenemos un factor de conversión para el espacio: un segundo claro de espacio por un segundo de tiempo.
A nivel cuántico, dentro de la materia de, por ejemplo, nuestros cuerpos, existen fuerzas fundamentales que interactúan, que resultan en todos los cambios posibles a nivel atómico, molecular y celular, y así sucesivamente. Estas fuerzas fundamentales a nivel cuántico están interactuando dentro de toda la materia a la velocidad constante de la luz , que es, por lo tanto, el límite de nuestra tasa de cambio observada.
Cuando miramos un objeto que no está en movimiento relativo, solo vemos el efecto de las fuerzas fundamentales a la velocidad de la luz dentro de él, en forma de tasa de cambio, o: tiempo.
Así que no pienses que un objeto estático está completamente quieto: dentro de él, sus interacciones se comunican continuamente a la velocidad de la luz, incluso para mantener el status quo. Resulta que la tasa de cambio relativa dentro de la materia funciona perfectamente sincronizada con el reloj de luz de Einstein;
Este es un reloj que tiene una cierta distancia entre dos espejos, y simplemente cuenta los pulsos de luz recibidos en la parte superior. Cuando vemos un reloj que no se mueve con respecto a nosotros (imagen izquierda), vemos un reloj que se mueve más rápido que cuando se mueve con respecto a nosotros (imagen derecha), porque para nosotros, estos pulsos de luz necesitan viajar una distancia más larga a su velocidad constante siempre observada.
Pero para la persona que se mueve, junto con este reloj, no se observa que vaya más lento, ya que la tasa de cambio dentro de los cerebros de esa persona, y todo lo demás a esta velocidad, va exactamente en sincronía con el reloj de luz al lado él. Para él, el otro reloj en realidad se observará más lento (volveré a eso más adelante).
Entonces, la suma de la velocidad de movimiento observada, junto con la velocidad interna de las fuerzas fundamentales, que causan la tasa de cambio observada, siempre se suma a la velocidad constante de la luz para todos los observadores inertes en el espacio-tiempo plano.
La relatividad de la simultaneidad.
Lo interesante del tiempo es que nuestras intuiciones nos dan la noción de que deberíamos ser capaces de definir un reloj universal, para que podamos definir claramente qué eventos ocurrieron antes que otros eventos, independientemente de su distancia espacio-temporal entre ellos. Esto simplemente no es cierto. Cada objeto tiene un tiempo personal y es imposible definir una simultaneidad absoluta.
Para comprender esto, piense en cómo podemos definir con precisión lo que ha sucedido simultáneamente en nuestro entorno haciendo uso de la velocidad constante de la luz, enviando pulsos de luz a nuestro entorno: todo lo que se refleja al mismo tiempo debe ‘ He estado sucediendo al mismo tiempo, a la misma distancia. Vea el ejemplo a continuación, donde la profundidad y el ancho representan 2 dimensiones del espacio, y la altura representa el tiempo. Si una cierta distancia hacia arriba representa un segundo, entonces la misma distancia ancha y profunda representa un segundo luz, por lo que la luz siempre se muestra moviéndose en ángulos de 45 °;
A ‘y A ocurrían simultáneamente, porque el primer pulso enviado se recibió simultáneamente, después de ser reflejado por estos dos eventos. El evento 0 ocurrió simultáneamente con A ‘y A, porque fue exactamente entre el momento del envío y la recepción del pulso de luz inicial.
Pero cuando está en movimiento lineal, un observador estático ‘verá’ que la luz te atrae más lentamente desde atrás: te has movido un poco durante el tiempo en que la luz, a su velocidad constante, viajaba hacia ti. Esto, por razones similares, se observa llegando a usted más rápido por la luz que entra desde el frente.
El viajero mismo no observa estas diferencias, ya que la tasa de cambio dentro de toda la materia es asimétrica en toda su longitud de movimiento: el observador estático observará un reloj de luz Einsteins a su lado con una luz que se mueve más lentamente de regreso frente, y más rápido de adelante hacia atrás, en relación con el barco. El viajero, por otro lado, siempre lo observará a una velocidad simétrica constante.
El observador estático observa que esta asimetría causa el siguiente artefacto, cuando el viajero define su simultaneidad espacial;
En el momento en que, como observadores estáticos, definamos que el evento 0 (en el medio) sucederá simultáneamente a nosotros, con una visión ‘horizontal’ de la simultaneidad, el viajero que se aleja definirá un momento en nuestro pasado para que suceda simultáneamente. Y cuanto más viaja, más “mira” nuestro pasado. Esta mirada cada vez más al pasado, mientras el tiempo sigue pasando, hará que el viajero también nos observe dilatando el tiempo.
Tenga en cuenta que no existe realmente un mecanismo diferente detrás de esta dilatación del tiempo observada simétricamente entre los dos observadores, donde uno parece tener dilatación del tiempo “real”, mientras que el otro mira subjetivamente hacia el pasado del otro. Son solo puntos de vista diferentes sobre exactamente el mismo fenómeno. Comprenda que no existe el movimiento absoluto: el viajero también puede ser visto como estático, con el otro alejándose de él.
Aquí hay dos ejemplos perspicaces de cómo las diferentes opiniones sobre simultaneidad siempre observarán que el otro se dilata en el tiempo;
En el evento 0, el punto de encuentro, en realidad están de acuerdo con el tiempo del otro.
Entonces, en nuestro Universo, cada cosa tiene diferentes resultados para la simultaneidad, dependiendo del movimiento relativo y la gravedad. Debido a esto, simplemente no hay forma de saber absolutamente qué eventos espaciales han sucedido “realmente”. Por ejemplo, para alguien que se mueve a una velocidad cercana a la luz de una fuente particular de radiación de fondo cósmico de microondas, la fuente de esos eventos ya no tiene 14 mil millones de años, sino que acaba de suceder.
Nuestro universo se mide siendo el más antiguo a una velocidad particular, donde el CMB muestra la menor cantidad de anisotropía. Nuestro grupo local, que incluye la Vía Láctea, parece moverse a unos 627 km / s en relación con el CMB, por lo que medimos el CMB de manera diferente en un lado que en el otro. La imagen superior es antes de la corrección, la inferior después de la corrección por anisotropía.
Por lo tanto, los eventos de tipo espacial (que aún no podemos ver) pueden cambiar de nuestro pasado a nuestro futuro, después de acelerar. Los eventos tipo espacio son los puntos dentro del triángulo izquierdo y derecho de estos diagramas de espacio-tiempo sucesivos de Minkowski, y lo que es simultáneo es todo lo que está en una línea horizontal desde el origen (el clip podría no funcionar en teléfonos móviles);
Entonces, ¿ven cómo los eventos espaciales pueden ir y venir del pasado al futuro, dependiendo del movimiento relativo, mientras que pueden cruzar el futuro y el cono de luz pasado solo una vez?
En parte debido a esto, el tiempo a menudo es interpretado por los físicos como “todos estando ahí afuera”, como explica el profesor Brian Greene en este clip;
La interpretación de la mecánica cuántica en muchos mundos
Un aspecto extraño de la mecánica cuántica es que solo podemos medir partículas, y nunca ondas, a pesar de que son fundamentalmente ondas, según la teoría del campo cuántico. Siempre que parecemos medir ondas, simplemente estamos midiendo múltiples partículas que estadísticamente se comportan como ondas interferentes.
Dónde y cuándo se mide la partícula a lo largo de una sola longitud de onda de un campo es imposible de predecir, y es completamente al azar. Después de la medición, la función de onda colapsa. Este colapso de una especie de espina en el lado de la física, porque no se deduce claramente de nada, no es el resultado lógico de algo fundamental.
Pero la interpretación de muchos mundos intenta arreglar esto diciendo que realmente no hay colapso, pero el colapso es un punto de ramificación del cual solo podemos medir nuestra rama, a pesar de que todas las ramas posibles están sucediendo realmente al lado de nuestra línea de tiempo personal .
Hora
Tan claro como el tiempo nos puede parecer intuitivamente, en realidad no tiene una dirección fundamental, su velocidad es solo relativa, está profundamente conectada con el espacio y no hay un pasado o futuro claramente definido. Además, el pasado y el futuro podrían no haber desaparecido o no existir en absoluto, y puede haber más de una sola línea de tiempo.
El tiempo parece muy similar a la mecánica cuántica de esa manera: tan pronto como creemos que lo entendemos, probablemente no …