Hossenfelder, una investigadora alemana especializada en gravedad cuántica, no solo ha contribuido significativamente al campo con más de ochenta artículos científicos, sino que también ha tomado la iniciativa de llevar la física al público general. Su enfoque es claro: despojar a la ciencia de su jerga y presentarla de manera que todos puedan entenderla y apreciarla.
El libro aborda cuestiones fundamentales como el libre albedrío, la naturaleza del tiempo y la posibilidad de un universo creado específicamente para nosotros. Con un lenguaje accesible y ejemplos cotidianos, Hossenfelder intenta cerrar la brecha entre el conocimiento científico y la curiosidad innata del ser humano por entender el cosmos y nuestro lugar en él.
Adentrándonos en las páginas de ‘Física Existencial’, encontramos un relato apasionante que nos invita a cuestionar y explorar. La autora nos guía a través de un viaje que comienza con las partículas subatómicas y se expande hasta el tejido mismo del espacio-tiempo. Y, en esta ocasión, vamos a descubrir en exclusiva un extracto del primer capítulo.
¿Sigue existiendo el pasado? Ahora y nunca
El tiempo es dinero. También se acaba. A menos, posiblemente, que esté de tu lado. El tiempo vuela. El tiempo pasa. Hablamos del tiempo todo el tiempo. Y, sin embargo, el tiempo sigue siendo una de las propiedades de la naturaleza más difíciles de comprender.
No ayudó que Albert Einstein lo hiciera personal. Antes de Einstein, el tiempo pasaba a la misma velocidad para todo el mundo. Después de Einstein, sabemos que el paso del tiempo depende de cuánto nos movamos. Y aunque el valor numérico que asignamos a cada momento —por ejemplo, las 14:14 horas— es una cuestión de convención y precisión de medición, en la época anterior a Einstein creíamos que tu ahora era igual que mi ahora; era un ahora universal, el tic-tac cósmico de un reloj invisible que marcaba el momento presente como especial. Desde Einstein, el ahora no es más que una palabra cómoda que utilizamos para describir nuestra experiencia. El momento presente ya no tiene un significado fundamental porque, según Einstein, el pasado y el futuro son tan reales como el presente.
Esto no coincide con mi experiencia y probablemente tampoco con la tuya. Pero la experiencia humana no es una buena guía de las leyes fundamentales de la naturaleza. Nuestra percepción del tiempo está determinada por los ritmos circadianos y la capacidad de nuestro cerebro para almacenar y acceder a los recuerdos. Esta capacidad puede servir para muchas cosas, pero para desligar la física del tiempo de nuestra percepción de él, es mejor fijarse en sistemas sencillos, como péndulos oscilantes, planetas en órbita o la luz que nos llega de estrellas lejanas. Es a partir de la observación de estos sistemas sencillos como podemos deducir de forma fiable la naturaleza física del tiempo sin quedarnos atascados por la interpretación, a menudo inexacta, que nuestros sentidos añaden a la física.
Cien años de observación han confirmado que el tiempo tiene las propiedades que Einstein conjeturó a principios del siglo XX . Según Einstein, el tiempo es una dimensión, y se une a las tres dimensiones del espacio en una entidad común: un espacio-tiempo de cuatro dimensiones. La idea de combinar espacio y tiempo en un espacio-tiempo se remonta al matemático Hermann Minkowski, pero fue Einstein quien captó plenamente sus consecuencias físicas, que resumió en su teoría de la relatividad especial.
La palabra relatividad en la relatividad especial significa que no hay un reposo absoluto; simplemente puedes estar en reposo con respecto a algo. Por ejemplo, tú estás probablemente en reposo respecto a este libro, que no se aleja ni se acerca a ti. Pero si lo tiras a una esquina, hay dos formas de describir la situación: el libro se mueve a cierta velocidad con respecto a ti y al resto del planeta Tierra, o tú y el resto del planeta os movéis con respecto al libro. Según Einstein, ambas son formas equivalentes de describir la física y deberían dar la misma predicción: eso es lo que significa la palabra relatividad. La especial solo dice que esta teoría no incluye la gravedad. La gravedad no se incluyó hasta más tarde, en la teoría de la relatividad general de Einstein.
La idea de que deberíamos ser capaces de describir los fenómenos físicos de la misma manera independientemente de cómo nos movamos en el espacio-tiempo cuatridimensional de Einstein suena bastante inocua, pero tiene una serie de consecuencias contraintuitivas que han cambiado por completo nuestra concepción del tiempo.
En nuestro espacio tridimensional habitual, podemos asignar coordenadas a cualquier lugar utilizando tres números. Por ejemplo, podríamos utilizar la distancia a la puerta de casa en las direcciones este-oeste, norte-sur y arriba-abajo. Si el tiempo es una dimensión, añadimos una cuarta coordenada, por ejemplo, el tiempo transcurrido desde las 7 de la mañana. Por ejemplo, el suceso espaciotemporal a 3 metros al este, 12 metros al norte, 3 metros arriba y 10 horas podría ser tu balcón a las 5 de la tarde.
Esta elección de coordenadas es arbitraria. Hay muchas maneras diferentes de poner etiquetas de coordenadas en el espacio-tiempo, y Einstein dijo que estas etiquetas no deberían importar. El tiempo que transcurre realmente para un objeto no puede depender de las coordenadas que hayamos elegido. Y demostró que este tiempo interno invariante —el tiempo propio, como lo llaman los físicos— es la longitud de una curva en el espacio-tiempo.
Supongamos que realizas un viaje por carretera desde Los Ángeles a Toronto. Lo que importa no es la distancia en coordenadas rectilíneas entre estos puntos, unos 2.200 kilómetros, sino la distancia en autopistas y calles, que es más bien de 2.500 kilómetros. Es similar en el espacio-tiempo. Lo que importa es la duración del viaje, no la distancia por coordenadas. Pero hay una diferencia importante: en el espacio-tiempo, cuanto más larga es la curva entre dos acontecimientos, menos tiempo transcurre en ella.
¿Cómo se alarga una curva entre dos acontecimientos espacio-temporales? Cambiando la velocidad. Cuanto más se acelere, más despacio transcurrirá el tiempo propio. Este efecto se llama dilatación del tiempo. Y, sí, en principio, esto significa que si corres en círculo, envejecerás más lentamente. Pero es un efecto minúsculo, y no puedo recomendarlo como estrategia antienvejecimiento. Por cierto, esta es también la razón por la que el tiempo pasa más despacio cerca de un agujero negro que lejos de él. Esto se debe a que, según el principio de equivalencia de Einstein, un campo gravitatorio fuerte tiene el mismo efecto que una aceleración rápida.
¿Qué significa esto? Imagina que tengo dos relojes idénticos; te doy uno, y luego tú sigues tu camino y yo el mío. En la época anterior a Einstein, habríamos pensado que cada vez que volviéramos a encontrarnos, estos relojes mostrarían exactamente el mismo tiempo; esto es lo que significa que el tiempo sea un parámetro universal. Pero tras las aportaciones de Einstein, sabemos que esto no es correcto. El tiempo que pasa en tu reloj depende de cuánto y a qué velocidad te muevas.
¿Cómo sabemos que esto es correcto? Pues podemos medirlo. Nos desviaría demasiado del tema entrar en detalles sobre qué observaciones han confirmado las teorías de Einstein, pero os dejaré recomendaciones de lecturas adicionales en las notas finales. Para seguir adelante, permitidme resumir diciendo que la hipótesis de que el paso del tiempo depende de cómo nos movemos está respaldada por un amplio y sólido conjunto de pruebas. He hablado de los relojes a título ilustrativo, pero el hecho de que la aceleración ralentice el tiempo no tiene nada que ver en particular con los aparatos que llamamos relojes; sucede con cualquier objeto. Ya se trate de ciclos de combustión, desintegración nuclear, arena corriendo por un reloj de arena o latidos del corazón, cada proceso tiene su propio paso individual del tiempo. Pero las diferencias entre los tiempos individuales suelen ser minúsculas, y por eso no las notamos en la vida cotidiana. Sin embargo, se vuelven perceptibles cuando llevamos la cuenta del tiempo con mucha precisión, como ocurre, por ejemplo, en los satélites que forman parte del sistema de posicionamiento global (GPS).
El GPS, que probablemente utiliza el sistema de navegación de tu teléfono, permite que un receptor —como tu teléfono— calcule su posición a partir de las señales de varios satélites que orbitan alrededor de la Tierra. Como el tiempo no es universal, en estos satélites transcurre de forma sutilmente diferente a como transcurre en la Tierra, tanto por el movimiento de los satélites respecto a la superficie de la Tierra como por el campo gravitatorio más débil que experimentan los satélites en sus órbitas. El software de tu teléfono tiene que tener esto en cuenta para inferir correctamente su ubicación, porque el diferente paso del tiempo en los satélites distorsiona ligeramente las señales. Es un efecto pequeño, de acuerdo, pero no es filosofía; físicamente es real.
El hecho de que el paso del tiempo no sea universal ya es bastante alucinante, pero aún hay más. Como la velocidad de la luz es muy rápida pero finita, la luz tarda en llegar hasta nosotros, así que, estrictamente hablando, siempre vemos las cosas como eran un poco antes. Sin embargo, esto no suele ocurrir en la vida cotidiana. La luz viaja tan rápido que no importa en las distancias cortas que vemos en la Tierra. Por ejemplo, si miras hacia arriba y observas las nubes, las verás tal y como eran hace una millonésima de segundo. Eso no supone una gran diferencia, ¿verdad? Vemos el Sol tal y como era hace ocho minutos, pero como normalmente el Sol no cambia tanto en unos pocos minutos, el tiempo de viaje de la luz no supone una gran diferencia. Si miras a la Estrella Polar, la ves tal y como era hace 434 años. Pero dirás, ¿y qué?
Resulta tentador atribuir este desfase temporal entre el momento en que algo sucede y nuestra observación del mismo a una limitación de la percepción, pero tiene consecuencias de largo alcance. Una vez más, la cuestión es que el paso del tiempo no es universal. Si preguntas qué ocurrió «al mismo tiempo» en otro lugar —por ejemplo, qué estabas haciendo exactamente cuando el Sol emitió la luz que ves ahora—, no hay respuesta significativa a la pregunta.
Este problema se conoce como relatividad de la simultaneidad, y fue bien ilustrado por el propio Einstein. Para ver cómo se produce, es útil hacer algunos dibujos del espacio-tiempo. Es difícil dibujar cuatro dimensiones, así que espero que me disculpes si utilizo solo una dimensión del espacio y una dimensión del tiempo. Un objeto que no se mueve con respecto al sistema de coordenadas elegido se describe mediante una línea recta vertical en este diagrama (figura 1). Estas coordenadas también se denominan marco de reposo del objeto. Un objeto que se mueve a velocidad constante forma una línea recta inclinada un ángulo. Por convención, los físicos utilizan un ángulo de 45 grados para la velocidad de la luz. La velocidad de la luz es la misma para todos los observadores y, como no puede superarse, los objetos físicos tienen que moverse en líneas inclinadas menos de 45 grados.
Einstein argumentaba lo siguiente. Supongamos que quieres construir una noción de simultaneidad utilizando pulsos de rayos láser que rebotan en espejos que están en reposo con respecto a ti. Envías un pulso a la derecha y otro a la izquierda y cambias tu posición entre los espejos hasta que los pulsos vuelven a ti en el mismo momento (véase figura 2). Entonces sabrás que estás exactamente en el centro y que los rayos láser inciden en ambos espejos en el mismo momento.
Una vez hecho esto, sabrás exactamente en qué momento de tu propio tiempo el pulso láser chocará contra ambos espejos, aunque no puedas verlo porque la luz de esos acontecimientos aún no te ha llegado. Podrías mirar tu reloj y decir: «¡Ahora!». De este modo, has construido una noción de simultaneidad que, en principio, podría abarcar todo el universo. En la práctica, puede que no tengas la paciencia de esperar diez mil millones de años a que regrese el pulso láser, pero así es la física teórica.
Ahora imagina que tu amiga Sue se mueve con respecto a ti e intenta hacer lo mismo (figura 2b). Digamos que se mueve de izquierda a derecha. Sue también utiliza dos espejos, uno a su derecha y otro a su izquierda, y los espejos se mueven con ella a la misma velocidad; por tanto, los espejos están en reposo respecto a Sue, como tus espejos respecto a ti. Al igual que tú, Sue envía impulsos láser en ambas direcciones y se coloca de forma que los impulsos vuelvan a ella desde ambos lados en el mismo momento. Al igual que tú, ella sabe que los impulsos llegan a los dos espejos en el mismo momento, y puede calcular a qué momento corresponde eso en su propio reloj.
El problema es que ella obtiene un resultado distinto al tuyo. Dos sucesos que Sue cree que ocurren al mismo tiempo no ocurrirían al mismo tiempo según tú. Eso se debe a que, desde tu perspectiva, ella se está moviendo hacia uno de los espejos y alejándose del otro. A ti te parece que el tiempo que tarda el pulso en llegar al espejo de su izquierda es menor que el tiempo que tarda el otro pulso en alcanzar al espejo de su derecha. Pero Sue no se da cuenta, porque en el camino de vuelta de los pulsos desde los espejos ocurre lo contrario. El pulso del espejo de la derecha de Sue tarda más en alcanzarla, mientras que el pulso del espejo de la izquierda llega antes.
Tú afirmarías que Sue está cometiendo un error, pero según Sue, el error lo cometes tú porque, para ella, eres tú quien se está moviendo. Ella diría que, en realidad, tus pulsos láser no golpean tus espejos al mismo tiempo (figuras 2c y 2d).
¿Quién tiene razón? Ninguno de los dos. Este ejemplo demuestra que en relatividad especial la afirmación de que dos sucesos ocurrieron al mismo tiempo carece de sentido.
Conviene subrayar que este argumento solo funciona porque la luz no necesita un medio para viajar y la velocidad de la luz (en el vacío) es la misma para todos los observadores. Este argumento no funciona con ondas sonoras, por ejemplo (o con cualquier otra señal que no sea luz en el vacío), porque entonces la velocidad de la señal no será realmente la misma para todos los observadores, sino que dependerá del medio por el que viaje. En ese caso, uno de vosotros estaría objetivamente en lo cierto y el otro equivocado. Que tu noción del ahora puede no ser la misma que la mía es una idea que debemos a Albert Einstein.
Font, article de Sabine Hossenfelder per a "Muy interesante"
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