¿Hemos descubierto, por fin, el origen del tiempo?

Hacemos un repaso de todos los descubrimientos realizados hasta la fecha sobre el nacimiento del universo.

Big bang
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Llena un vaso con agua caliente. Si dejas pasar el tiempo, el agua se irá enfriando hasta alcanzar la temperatura del ambiente que lo rodea. Lo mismo sucede cuando colocas un cubito de hielo en un vaso: poco a poco se funde hasta que el agua iguala su temperatura con el entorno. Esta termalización es un fenómeno natural e irreversible, pues cuando ponemos en contacto dos sistemas, ambos tienden a lo que los expertos conocen como equilibrio térmico.

Aparentemente anodino, dicho fenómeno introduce una asimetría fundamental en la física: define una flecha del tiempo. Desde nuestra experiencia cotidiana, fluye del pasado al futuro, y siempre es así. “Podemos confundir este con oeste, pero no ayer con mañana”, ha explicado Sean Carroll, físico del Instituto de Tecnología de California (EE. UU.). Salvo en termodinámica, ese discurrir hacia delante es irrelevante, un compañero mudo. “Las leyes fundamentales de la física no distinguen entre pasado y futuro”, apostilla Carroll. Para el italiano Carlo Rovelli, la física ignora el problema: “No se describe cómo evolucionan las cosas en el tiempo, sino cómo evolucionan en sus tiempos”, ilustra Rovelli. De la mecánica al electromagnetismo o la teoría cuántica, las ecuaciones son simétricas en ese sentido. Por eso, si nos pasan una película de dos bolas de billar chocando, seríamos incapaces de saber por simple observación si nos la están pasando bien o hacia atrás. Sin embargo, si vemos otro vídeo donde el agua de un vaso se va convirtiendo en un cubito de hielo, sabremos que nos están dando gato por liebre. Esta diferencia fundamental entre la realidad que nos rodea y las leyes de la física parece indicar que se nos escapa algo. ¿Pero qué?

La primera persona que se planteó el problema con seriedad fue Ludwig Boltzmann, un físico austriaco de finales del siglo XIX. Planteó muchas ideas revolucionarias en su tiempo, como que los átomos realmente existían o que la temperatura era una consecuencia de los movimientos y choques entre ellos. Corto de vista, Boltzmann percibió mucho más lejos que sus colegas, pero fue desdeñado por ellos y se suicidó en 1906.

Sus ideas permanecieron, y la termodinámica, la ciencia que estudia el calor, no se podría comprender hoy sin su perspicacia. Entre sus empeños se encontraba el de dar una explicación a la entropía, concepto extraño que había aparecido en 1865 de la mano de uno de los padres de la termodinámica, Rudolf Clausius (1822-1888). Este físico y matemático alemán lo introdujo para explicar por qué el calor fluye de un cuerpo caliente al frío. Basándose en ello, formuló un principio fundamental, hoy conocido como la segunda ley de la termodinámica: los procesos naturales son aquellos en los que se verifica un aumento en la entropía del universo, y nunca al revés. Clausius definía así el sentido de la flecha del tiempo.

Pero ¿qué es la entropía y por qué debe aumentar? Estas son las incógnitas que resolvió Boltzmann. Partiendo de la suposición de que el mundo no es otra cosa que “átomos y vacío” –como dijera Demócrito dos milenios atrás–, Boltzmann llegó a la conclusión de que el estado más probable de cualquier sistema es el desorden. Por ejemplo, si mezclamos unos naipes, lo normal es acabar con una baraja de­sordenada en lugar de agrupada por palos y números. Igual ocurre con los gases: podríamos tener todas sus moléculas moviéndose en la misma dirección; o dos gases que, contenidos en el mismo recipiente, no estén mezclados, sino separados; o uno que se encuentre comprimido, sin influencia externa, en un rincón de la vasija que lo contiene, dejando el resto totalmente vacío... No hay ninguna ley que impida alguno de esos escenarios. Sin embargo, resulta altamente improbable, más incluso que tras mezclar una baraja salga organizada por números y palos.

No debemos olvidar este principio: hay un mayor número de combinaciones desordenadas que ordenadas. Ahora ya estamos en condiciones de entender lo que es la entropía: una medida del desbarajuste en la naturaleza. Y como es más probable que el orden, la entropía tiende a aumentar. Esta fue la gran contribución de Boltzmann, y la que abrió la puerta al problema de la flecha del tiempo: el futuro es distinto del pasado simplemente porque la entropía del universo ha aumentado.

Si ahora ponemos en juego la evolución cosmológica y la teoría comúnmente aceptada de su inicio, el big bang, el universo debía encontrarse en un estado de muy baja entropía –o sea, muy ordenado– cuando nació. “El segundo principio de la termodinámica sugiere que cualquier sistema evoluciona naturalmente hacia un estado típico y más probable, pero al mismo tiempo estamos suponiendo que el universo comenzó en un estado extremadamente atípico e improbable”, subraya Rovelli. “Si su configuración fuera escogida aleatoriamente entre todas las posibles, se encontraría en un estado de muy alta entropía”, apostilla Carroll. ¿Cómo es posible? “Es algo para lo que no tenemos respuesta”, indica Carroll en su libro Desde la eternidad hasta hoy. Y no suena demasiado convincente que de una gran explosión surja algo muy organizado...

Ahora bien, en toda esta discusión hay algo a lo que no hemos prestado atención. El universo no es un sistema termodinámico al uso, pues una fuerza externa lo gobierna: la gravedad. Aunque de alguna forma debe afectar a la entropía, no sabemos muy bien cómo, ya que para hacerlo necesitamos una teoría gravitatoria a escala subatómica, algo que todavía no tenemos.

Todos estos escollos hay que solventar para comprender por qué el universo que surgió inmediatamente después del big bang lo hizo en un estado de orden altamente improbable. Y ni siquiera tenemos claro qué respuesta sería la satisfactoria. Al parecer, después de medio siglo entre nosotros, la hipótesis del gran estallido sigue poniendo en un brete a nuestras mejores teorías de la física: sin una manera de describir cómo surgió exactamente el universo, no podemos explicar por qué presentaba baja entropía y, por tanto, entender la flecha del tiempo. Y la pregunta del millón: ¿cómo es un estado de alta entropía cuando la gravedad resulta ser una pieza relevante del sistema?

Sobre este tema ha estado trabajando durante décadas Roger Penrose. Este eminente físico y matemático inglés argumenta que la formación de estructuras en el universo, como galaxias, estrellas y planetas, no significa una disminución de entropía, sino todo lo contrario: “Con la gravedad, las cosas tienden a ser de otra manera [...]. La alta entropía se consigue cuando se amontonan los cuerpos gravitantes”. Al parecer, y según revelan diferentes cálculos, en presencia de las fuerzas gravitatorias, “los estados de mayor entropía son como el espacio vacío, con la mayoría de las partículas desperdigadas y diluyéndose progresivamente”, dice Carroll. O sea, tal y como era el universo en sus comienzos.

A todo este panorama debemos introducir un increíble fenómeno que sucedió en los primerísimos instantes de vida del universo: la inflación. Formulada por el físico estadounidense Alan Guth a finales de 1979, nos dice que nunca vamos a saber qué sucedió justo antes del big bang, pues todo el universo –o, al menos, una región del mismo– experimentó un aumento exponencial de su volumen. Semejante expansión borró todas las irregularidades que pudieran haber existido al comienzo y propició que el cosmos sea plano –sin curvatura– y homogéneo. Aunque este asombroso mecanismo explica muchas de las incógnitas que dejaba pendientes la teoría del gran estallido inicial, no da cuenta de por qué el universo nació con una entropía tan baja.

Es aquí donde muchos físicos teóricos levantan la mano y apuntan a la teoría de cuerdas como solución al problema, pero quizá no lo sea. A finales del siglo pasado, era el modelo estrella de la física y sus voceros, como Brian Greene y Michio Kaku, la elevaban a los cielos diciendo que nos hallábamos ante la teoría del todo. Pero poco a poco se ha ido desinflando. Algunos, como el físico de cuerdas indio Shiraz Minwalla, la consideran ya como una nueva forma de hacer ciencia: “Tiene más que ver con una teoría matemática inspirada en la física que con física al estilo clásico”, dice Minwalla. A todo esto hay que añadir que, como casi cualquier otra teoría física fundamental, sus ecuaciones no establecen una distinción fuerte entre el pasado y el futuro, luego la flecha del tiempo no surge de modo natural; hay que introducirla ad hoc.

Algunos expertos se plantean que hay que mirar en otra dirección, hacia donde se encuentra la hipótesis competidora de las cuerdas: la gravedad cuántica de bucles. Entre los que intentan resolver el enigma está el físico canadiense Lee Smolin. Según él y su colaboradora, la portuguesa Marina Cortês, el universo está formado por una serie de eventos completamente únicos, que nunca se repiten. Cada conjunto de sucesos solo puede influir en los del siguiente, por lo que la flecha del tiempo aparece de forma natural. “Esperamos poder llegar al problema de las condiciones iniciales [del universo] y descubrir que no son tan especiales”, dice Cortês.

Galaxia y estrellas
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Resolver el problema de la entropía inicial del cosmos ha disparado la imaginación de los físicos teóricos: unos hablan de que, aunque las leyes físicas que nosotros conocemos no contemplan la existencia de una flecha temporal, eso se explica porque no son las verdaderas, sino solo buenas aproximaciones. Cuando descubramos las fundamentales, veremos cómo aparece de forma natural. Por ejemplo, Penrose plantea lo que él denomina hipótesis de la curvatura de Weyl: existe una ley natural que distingue entre las singularidades espacio-temporales del pasado y las del futuro, y eso dota al universo de una flecha temporal.

En el fondo, todos estos son intentos por explicar esa ruptura que hay entre las leyes de la física y la realidad. Pero sea cual sea la hipótesis correcta –o si es una mezcla de ambas–, todas ellas dejan a un lado otra pregunta fundamental: ¿cuándo empezó a fluir el tiempo?

Es en este punto en el que entra la investigación publicada a finales de 2019 por Thomas Gasenzer y Jürgen Berges, físicos de la Universidad de Heidelberg (Alemania). “Si comienzas lejos del equilibrio, como sucedió al nacer el universo, ¿de qué manera apareció la flecha del tiempo?”, se pregunta Berges.

Lo que estos investigadores han desarrollado es todo un constructo teórico para entender lo que sucedía a nivel subatómico antes de que empezara el proceso de termalización del cosmos, esto es, cuando empieza a subir la entropía. En ese momento las cosas no eran como las conocemos: el cosmos consistía en un vasto océano de energía cuántica que “estaba en un estado muy lejos del equilibrio”, explica Gasenzer.

Según los cálculos de los físicos de Heidelberg, aquel campo energético presentaba unas propiedades fractales similares a lo que sucede cuando removemos una taza de café. Fueron descritas en 1941 por uno de los más grandes matemáticos de mediados del siglo XX, el ruso Andréi Kolmogórov (1903-1987), cuando estudiaba los fluidos turbulentos. Al remover el café, generamos un vórtice –flujo en rotación espiral– que provoca la aparición de otros más pequeños, y así sucesivamente. Se alimentan de la energía que les transfiera el vórtice mayor, como en una cascada, y a un ritmo exponencial, lo que se conoce como ley de potencias. Pues bien, los científicos alemanes han encontrado que ese mismo fenómeno se produce en sistemas cuánticos muy alejados del equilibrio. La diferencia entre el café de Kolmogórov y los sistemas de Berges y Gasenzer es que en el primer caso esa cascada de energía se verifica en el espacio –en distintas zonas del café–, mientras que para los segundos se produce también en el tiempo. Y este detalle es fundamental, porque quiere decir que, si pudiéramos observar aquel océano de energía primordial a lo largo del tiempo y, a la vez, a distintas escalas, veríamos que todo se mantendría exactamente igual, como congelado, en un estado de no cambio, de no tiempo.

Y se hubiera conservado así por la eternidad si no fuera porque se produjo un brusco cambio de fase similar al que sucede cuando tenemos agua sobreenfriada –líquida, pero por debajo de los cero grados– e introducimos una pequeña impureza, como una motita de polvo: entonces se congela abrupta e instantáneamente. Algo así le sucedió al universo, dicen los científicos de Heidelberg. Una levísima perturbación acabó con ese estado de no tiempo regido por una dinámica fractal y provocó la aparición de una sopa densa de cuarks​​ –los ladrillos de protones y neutrones– y gluones –partículas que mantienen unidos a los cuarks–. Es a partir de ese momento que el universo queda sometido a la segunda ley, y la entropía empieza a aumentar en un proceso activo que continuará durante billones de años.

Lo importante a tener en cuenta es que antes de ese cambio de fase no había tiempo, no había historia. El universo surgió de una singularidad inicial, de una gran explosión, a lo que siguió una inflación que hizo que multiplicara su tamaño por 1026 en una infinitesimal fracción de segundo. Aquella energía primigenia bien podría haber permanecido así indefinidamente, sin que nada cambiara, sin pasado, ni presente, ni futuro. Entonces, de repente, se produjo un cambio minúsculo que impuso al bebé energético una dirección hacia donde fluir, una flecha del tiempo.

¿Se puede poner a prueba experimental esta teoría? Markus Oberthaler, también de la Universidad de Heidelberg, ha dado un primer paso en esa dirección utilizando 7000 átomos de rubidio. Con ellos, y después de dos años de trabajo, formó un condensado de Bose-Einstein, estado de agregación de la materia por debajo del sólido, a una temperatura muy próxima del cero absoluto. Curiosamente, las propiedades de la materia en esa situación son similares a cuando se encuentra a altísimas temperaturas, en forma de plasma cuark-gluón. En su artículo, publicado en septiembre de 2019, Oberthaler explicaba que durante los cuarenta segundos que el condensado se mantuvo estable le inyectaron una gran cantidad de energía y observaron su evolución. Se hallaba en un estado muy alejado del equilibrio, y descubrieron que seguía la dinámica fractal de Gasenzer y Berges. “Parece que es una confirmación de la existencia de esta ley de escala universal”, resumió Oberthaler. Mientras, en el CERN se esmeran por diseñar un experimento que cree un plasma primordial. Entonces se verá si hemos descubierto, por fin, el origen del tiempo .

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