domingo, 18 de septiembre de 2011

La flecha del tiempo: ¿Por qué nada es para siempre?

¿Hacia dónde va el tiempo? Hacia el futuro, claro está...
¿Cuál es la diferencia entre el pasado y el futuro? ¿Por qué parece imposible evitar envejecer? Finalmente: ¿Por qué nada es para siempre?

Observe atentamente su reloj y pregúntese: ¿qué me está diciendo el andar de esta singular máquina?

La hora del día es una posible respuesta, pero no es la respuesta más interesante. El simple hecho de que un reloj constate que el tiempo pasa, nos dice algunas cosas profundas del universo en que vivimos: nos dice que hubo un comienzo y que muy probablemente habrá un final. También nos dice que el universo tal como lo conocemos, consistente con la vida, es únicamente una etapa pasajera en su aún incipiente historia.

Cuando la revolución industrial apenas asomaba su la cabeza en la historia de la humanidad, la necesidad práctica llevó a estudiar las máquinas de vapor y las leyes que les aplican. Al intentar hacer más eficientes las máquinas de vapor, ingenieros y científicos --siempre metiches-- se dieron cuenta de que había una limitante en la eficiencia en las máquinas; en realidad, se dieron cuenta de que hay una limitante en la forma en que la naturaleza puede usar la energía. Esta limitación resultó ser una ley absolutamente general y terminó apuntando a una realidad por  demás profunda acerca de nuestro cosmos: la segunda ley de la termodinámica.


Pensemos en una playa --mexicana de preferencia-- con arena fina. Y pensemos en un niño con su padre construyendo un castillo con esa arena. Al terminar el día de juego --bendición de descanso para el padre y alegría truncada para el niño-- el castillo se queda allí abandonado. ¿Qué pasa al día siguiente con el castillo? Si el niño lo visitara entonces --tal vez esperando volver a jugar en él-- se preguntaría decepcionado qué pasó con el castillo, pues ahora únicamente ve un montón de arena. La explicación del padre sería, muy probablemente, que el viento lo convirtió en ese montoncito de arena.


Ambos recordarían el castillo en el pasado, dejando en el presente tan sólo un montón de arena desordenadoResulta que esta observación sobre el desorden se aplica tan bien para el universo completo como para el castillo de arena. Y es la direccionalidad del tiempo, más que el viento, lo que convierte los castillos en montículos de arena.

Algo en la forma en que se comporta el tiempo, algo relacionado con la segunda ley de la termodinámica, implica que todo castillo de arena en el presente de nuestros playeros vacacionistas, será en el futuro un montículo desordenadoContinuemos nuestra playera historia de consecuencias --veremos-- cosmológicas.

La extrañeza inicial del niño está justificada. Cierto, el viento se lleva al azar granos de arena, pero de igual manera los trae (al azar). Si nos hubiéramos dado a la titánica tarea de contar los granos de arena en el castillo, al final para todo propósito práctico sería igual que el número de granos de arena en el montón que encontraríamos al día siguiente. La diferencia está, no en que el viento se lleve más granos de los que traiga sobre el montón de arena, la diferencia está en qué tan desordenados están esos granos. Abandonado a su suerte en el viento, los granos que trae el viento no aciertan a quedar ordenados justo en la forma de un castillo.

No hay duda de que hay mucho más orden en el conjunto de granos formando un castillo, que en el conjunto de los mismos granos conformados en un montón de arena. Incluso a un niño, le tomaría unos pocos segundos hacer el montón de arena, pero muchos minutos y hasta horas --dependiendo de la habilidad y dedicación del padre-- el construir un castillo reconocible.

La experiencia nos dice que sin excepción alguna, los eventos se dan en una secuencia irreversible: los huevos se pueden hacer omelette pero no al revés, todos envejecemos, las cosas se desordenan, se degradan y con el tiempo dejan de funcionar. Todo tiende a estar más desordenado hoy que ayer. Esta es la forma en que percibimos la diferencia entre el pasado y el futuro.

Sin embargo, hasta donde la ciencia nos deja ver esto no tendría por qué ser así. Y es que todas las leyes naturales son, en esencia, reversibles. Debería ser perfectamente posible que de montones amorfos de arena se formaran --al menos con cierta regularidad-- castillos hermosos por efecto del viento sobre la playa. ¡Qué maravilla sería para los dúos padre e hijo! Ir a dormir y después de una noche reparadora salir a la playa y encontrar castillos para jugar.

Pero eso nunca sucede. Así como nunca una persona se vuelve más joven. Nadie lo ha visto y puede uno apostar su vida a que nunca nadie lo va a ver. Sin embargo las leyes naturales, tanto las que rigen nuestro universo a nivel microscópico (mecánica cuántica) como a gran escala (gravitación), no lo prohiben. ¿Entonces?

A diferencia del espacioel tiempo tiene una dirección preferencial, una dirección específica que siempre va del firme pasado al inexpugnable futuro. Es como si siempre tuviera que seguir una flecha: la flecha del tiempo. En realidad, todo en el cosmos parece seguirla; átomos, personas, arena y galaxias por igual, se "mueven" siguiendo esa flecha de un estado más ordenado que llamamos pasado a uno menos ordenado que llamamos futuro.

En este punto debería ser claro que el presente está siempre más desordenado que el pasado y eso es lo que los distingue pero... ¿Por qué habría de ser así? ¿Cuál es el origen de que el pasado esté menos desordenado que el presente y en especial que el futuro?

En pocas palabras, porque es lo más probable.

De vuelta a nuestro montón de arena. Hablando de manera relativa, no hay muchas formas de acomodar los mismos granos de arena para que parezcan un castillo en particular, pero hay muchísimas más formas --inimaginablemente muchas más-- de acomodar los mismos granos para que sean un montón amorfo en la playa. Así, al traer el viento granos de arena hacia el montón, es abrumadoramente más probable que queden acomodados en sitios que no favorezcan la apariencia de castillo. Los que se van, contribuyen a su vez al desorden de la arena de la playa.

El universo evoluciona como lo hace porque es lo más probable, y por eso el pasado es distinto al futuro. Por eso envejecemos y por eso un huevo se puede convertir en omelette pero no al revés. Y por eso también... la vida es posible.

La entropía, el término de la física para describir el desorden de un sistema, siempre aumenta y es necesariamente mayor o igual a cero. Eso implica por supuesto que en el pasado la entropía siempre fue menor, pero también implica algo mucho más enigmático sobre la naturaleza completa. El valor mínimo que puede tener la entropía es cero, que equivale a que en algún punto atrás en el tiempo, todo el material del universo, todo lo que hoy constituye personas, playas, arena, galaxias y luz, estaba súperordenado en un estado de muy baja entropía. El orden máximo. En esta condición no hay posibilidad de ir más atrás en el tiempo porque el pasado ya no es posible, ya no se puede tener un desorden (entropía) menor. Léase: tuvo que haber un comienzo para todo; para el tiempo y para el universo.

Nuestra percepción de que hay eventos eternos, como las salidas y puestas del sol, está basada en nuestro limitado tiempo de existencia. Al igual que nosotros, las estrellas y el universo mismo dejarán de existir también.

El presente y el futuro.

En el origen había un orden muy grande. Hacia el futuro de esos primeros instantes del tiempo, la entropía se ha venido incrementando de manera dramática porque es lo más probable. Pero este aumento de estados posibles hasta el presente también ha abierto la puerta, de manera inevitable, a un universo donde es posible la complejidad. Incluso a una complejidad tan intrincada como la de la vida.

La tendencia al desorden está relacionada con la posibilidad de cualquier sistema --incluido el cosmos completo-- de exhibir cierta complejidad. El desorden y la complejidad están muy relacionados, incluso uno podría pensar que hasta son en cierto sentito opuestos, pero más bien su relación es en el sentido de que el comportamiento de uno (aumento del desorden) es necesario para que se de el otro (la complejidad).


Una manera interesante de entender esto es pensar en un café capuchino recién hecho, un café que no pretendemos tomarnos sino únicamente observar. La característica de esta preparación de café es que quien lo prepara cuida mucho de terminar con dos fases muy bien definidas de café y leche; una debajo de la otra. Es un estado de poco desorden y de poca complejidad: leche arriba, café abajo. Ahora dejemos evolucionar al capuchino sin tocarlo, dejemos actuar a la flecha del tiempo únicamente.

El café cósmico: orden y simplicidad dan origen a mayor desorden y complejidad de manera transitoria
Lo que sucede poco a poco, es que las dos fases distintas de leche y café comienzan a confundirse más y más. Primero únicamente en la frontera, después de manera más generalizada en el vaso. El sistema aumentó su entropía (desorden) pero también, justo por eso, aumentó su complejidad. Ahora describir cómo está distribuída la leche y el café en el vaso es menos simple (más complejo) que "la leche está arriba y el café abajo". La entropía aumentó pero la complejidad también. Si el desorden no aumentara, la leche se quedaría arriba y el café abajo, con lo que el estado de mayor complejidad de la mezcla a medias del capuchino, un estado más difícil de describir, no sería posible.

La física nos dice que esto es lo que le está pasando hoy al universo. Atraviesa por una etapa en la que la entropía ha aumentado lo suficiente como para poder exhibir una complejidad importante, una que permite que el material del universo se haya agregado en galaxias, en estrellas, e incluso que se haya podido presentar un fenómeno tan complejo, tan aparentemente alejado del desorden, como lo es la vida. Y lo que es más, no hay manera de que esto sucediera sin el incremento de la entropía.

Para nada quiero afirmar que el origen de la vida se reduce a entender que el aumento de entropía necesariamente conlleva a la complejidad necesaria para la vida, pero si es un elemento esencial de entender.

Pero no nos desconectemos aún de nuestro café cósmico. Aún pasan cosas. Al menos por un tiempo...

Sabemos lo que ocurrirá pasado suficiente tiempo con el capuchino: además de enfriarse, finalmente será imposible distinguir zonas de café y de leche. Simplemente habrá algo que no es ni lo uno ni lo otro. Por supuesto la entropía aumentó, es imposible volver a separar el capuchino en leche y café. Pero la complejidad de este sistema es nuevamente baja. Ahora en el vaso únicamente hay algo homogéneo, un líquido marrón muy simple de describir. Hablando de capuchinos, este es su estado final: ya no cambia. En cierto sentido, el tiempo ya no pasa. La entropía es máxima.

La complejidad del cosmos es transitoria como la del capuchino. Al aumentar el desorden (entropía) y después de una fase transitoria de complejidad todo tienda al mayor desorden posible, a un estado en el que ya no cambia nada. En ese futuro lejano, hoy pensamos que lo más plausible es que lo mismo que permite la exquisita complejidad que exhibe hoy el universo, el aumento de la entropía, es lo que tiene sellado su destino.
El universo del futuro, producto de un universo que crea complejidad y aumenta entropía, es un universo en el cual las estrellas se han apagado, las galaxias se han desintegrado y hasta los agujeros negros se han evaporado. Por supuesto que la vida no sería posible, no habría ninguna fuente de la cual obtener energía sin importar lo avanzado de la tecnología, humana o alienígena. Es algo perturbador a la vez que fascinante de deducir a partir de la evolución de un café, íntimamente ligado a algo de lo que no hemos encontrado jamás excepción alguna: las leyes de la naturaleza son las mismas en todos lados.

Es en este momento, en ningún otro y durante una fracción muy pequeña de la historia del universo, que la complejidad de la vida es posible. Si medimos la vida total del universo desde el instante inicial y definimos que su fin es cuando ya no pasa nada, cuando incluso los agujeros negros se han evaporado y no queda sino espacio vacío (en unos 10ˆ100 años) la vida podría tener alguna fuente de energía y por lo tanto ser posible únicamente en 10^14 de esos años, es decir, en tan solo una fracción minúscula de ese tiempo. En palabras: la vida es posible en el cosmos únicamente en una billón billonésima de billonésima de billonésima de billonésima de billonésima de billonésima de billonésima de su vida total.

Algunas preguntas abiertas

Difícilmente alguien puede dudar de que hay una belleza intrínseca en poder concluir cosas, para algunos de nosotros profundas, sobre el universo entero a partir de unas pocas observaciones cruciales y el razonamiento. Pero al igual que no hay nada para siempre, tampoco parece haber nunca una última respuesta.

Hay muchas preguntas que se sigue haciendo la cosmología a raíz de este particular entendimiento de la naturaleza y de la entropía. Intrigantes algunas. Nadie tiene la menor idea de por qué el universo nació con una entropía tan baja, no hay ninguna razón para ello. Es más, es muy improbable. Si lo pensamos un poco, el mismo razonamiento de que la entropía tiene que aumentar siempre porque es lo más probable, nos lleva a concluir que es escandalosamente más improbable que el universo se generara hace unos 14 mil millones de años con una entropía muy baja como creemos, a que todo, galaxias, estrellas, personas y blogs, se hayan aparecido de la nada hace tan sólo una fracción de segundo.

Ciertamente intrigante... Todavía queda mucho que entender en esto de la física del tiempo.

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Así las cosas, su reloj le está diciendo que necesariamente hubo un comienzo, que probablemente habrá un final y que , la vida es inimaginablemente corta, fluyendo a toda prisa hacia la dirección más probable. Le dice que hay una flecha del tiempo, razón fundamental tanto de que envejezca como de que esté vivo en primer lugar. Ah , y la hora. También le está diciendo la hora.

Creo que es hora de ir por un capuchino.

El reloj del abuelo: viajero del tiempo.
-Espaciotiempo

2 comentarios:

  1. te leo y aunque no alcanzo a comprenderlo todo, me encanta la fascinante y aterradora idea del tiempo que existe, y nosotros existimos pero solo por un tiempo. El tiempo no es culpable de nuestra existencia así como tampoco lo será cuando dejemos de existir con el paso del tiempo. Me dejas pensando y reflexionando mucho. Mis peores temores en la niñez eran precisamente la percepción del paso del tiempo, que en vida nos lleva invariablemente a la muerte. Un abrazo querido amigo, sigues tan brillante como desde que te conocí.

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  2. Un abrazo para tí también! Y gracias por compartir tu propia historia del tiempo. El inducir un poquito de reflexión en los demás es una joya de inspiración para escribir. Abrazos muchos, inquieta eterna...

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