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Explorando la Cuarta Dimensión: comprendiendo la realidad del tiempo

Published: 23 de julio de 2022
Imagen ilustrativa TheDigitalArtist / Pixabay

El tiempo es a menudo considerado como la cuarta dimensión. Aunque no es una dimensión espacial, es una variable numérica que define la existencia en un espacio tridimensional. Por ejemplo, si se encontrara con un amigo, necesitaría organizar el punto de encuentro, no solo el espacio, sino también el tiempo, para no desencontrarse.

Pero, ¿qué es exactamente el tiempo? ¿El tiempo existe físicamente, o es una noción creada por los humanos para comprender la realidad, o quizás una combinación de los dos?

Los criterios de existencia

Según la física, algo es real si, y solo si, es medible, observable, cuantificable y no patológico.

La capacidad del tiempo para ser medido y cuantificado está implícita en nuestra percepción misma de él como un componente numérico de la realidad. Es observable, no porque tenga un tamaño o una forma definidos, sino por la posibilidad de observar las consecuencias de su paso: vemos gotas de lluvia que caen al suelo y pájaros que vuelan de un lugar a otro.

Pero, ¿es patológico? En términos simples, los sujetos patológicos son aquellos para los que la ciencia no tiene una respuesta concluyente. Preguntas como «¿Qué hay en el centro de un agujero negro ?» o «¿Por qué los números no se pueden dividir por cero?» son ejemplos de patologías que indican que aún nos queda trabajo por hacer.

Dividir por cero se considera una imposibilidad matemática. 
La mayoría de las calculadoras mostrarán un mensaje de error cuando el usuario o un programa en ejecución intente dividir por cero. 
(Imagen: Torindkflt vía Wikimedia Commons)

El hecho de que el tiempo medido por dos relojes pueda diferir dependiendo de dónde estén ubicados los relojes y cómo se muevan, comúnmente conocido como dilatación del tiempo, puede hacer que el tiempo parezca algo paradójico. ¿Significa esto que es patológico y por lo tanto no físicamente real?

La naturaleza relativa del tiempo

En su Teoría de la Relatividad, Albert Einstein determinó que el tiempo transcurre a diferente velocidad según nuestro marco de referencia. Si, por ejemplo, disparamos una onda de luz desde la parte delantera de un tren en movimiento y medimos el tiempo que tarda esta onda en llegar al extremo del tren, nuestra respuesta diferirá de la de un tercer observador que observe la onda de luz desde el andén del tren.

Además, un reloj que se mueve más rápido suele implicar que el tiempo es más lento cuando se mira desde un marco de referencia diferente.

Aun así, la naturaleza relativa del tiempo no lo convierte en algo patológico, ya que la diferencia de velocidad del tiempo entre marcos es sistemáticamente diferente. Dado que estas discrepancias pueden medirse y predecirse basándose en las leyes de la física, la dilatación del tiempo no se considera, después de todo, un fenómeno aleatorio o inconcluso.

La ambigua simetría temporal de la física

Junto con sus propiedades de conservación, la física tiene la cualidad de ser simétrica con respecto al tiempo; es decir, una escena se ve igual cuando el tiempo avanza o retrocede. 

El caso simple de una pelota que cae bajo la influencia de la gravedad puede ilustrar este principio. ¿Cómo podemos saber si lo que estamos viendo es una pelota que cae hacia abajo o el movimiento de una pelota que ha sido lanzada hacia arriba y que retrocede en el tiempo? En teoría, ambas escenas se verían exactamente iguales.

El movimiento físico exhibe simetría temporal. 
Esto significa que un sistema se ve igual cuando el tiempo corre hacia adelante y hacia atrás. 
(Imagen: ROMAN ODINTSOV vía Pexels)

Esta simetría de paridad sugiere que cambiar un evento por su imagen especular no cambia el resultado. Esto es cierto no solo para el movimiento físico, sino también para otras leyes físicas como la gravitación y el electromagnetismo. ¿Cómo podemos discernir si el tiempo corre hacia adelante o hacia atrás?

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La irreversibilidad es la clave 

Si bien parece que solo lo percibimos como un movimiento hacia adelante y nunca hacia atrás, esta flecha incesante del tiempo aún no se explica; sin embargo, a pesar de su peculiar simetría, ciertos fenómenos muestran que el tiempo solo avanza.

La desintegración beta, por ejemplo, puede ocurrir cuando el núcleo atómico tiene una gran cantidad de neutrones y se descompone en un protón, un electrón o un neutrino antielectrónico. No ocurre lo contrario de este fenómeno. Dado que las partículas subatómicas nunca se convierten en neutrones, y los resultados de su paso hacia adelante y hacia atrás son diferentes, el conteo de neutrones es un indicador confiable de la dirección del tiempo. 

Un enfoque más práctico es observar el intercambio de energía termodinámica, que se puede observar en situaciones básicas como revolver un huevo, romper un objeto o agregar hielo a un vaso de agua. Cada uno demuestra un gasto de energía que es irrecuperable, marcando así el paso del tiempo.

En un huevo entero, por ejemplo, hay un gradiente de energía entre la clara y la yema. Una vez mezclado, se libera la energía potencial química y se forman nuevos enlaces. De manera similar, una ventana posee energía potencial que, cuando se rompe, se libera. La simetría temporal en estos casos ya no es válida, ya que los estados de energía inicial y final son diferentes.

Revolver un huevo libera su energía potencial. 
(Imagen: Klaus Nielsen a través de Pexels)

El equilibrio térmico es otro fenómeno que ilustra la flecha del tiempo. Según el concepto de entropía, cuando dos sistemas de diferente temperatura entran en contacto, tienden a alcanzar una temperatura intermedia, logrando así el equilibrio. 

Un vaso de agua a temperatura ambiente derretirá un cubo de hielo que se le haya echado, enfriando el agua. Una vez que se logra este equilibrio, es imposible que el sistema vuelva a su estado original, lo que indica claramente que el tiempo solo avanza. 

La realidad física del tiempo

El tiempo, como fenómeno medible, cuantificable, observable y no patológico, es tan real como las variantes observables que dependen de él, como los cambios nucleares, la entropía y el equilibrio energético. 

El descubrimiento de que el tiempo no es una medida universal, junto con nuestra incapacidad para explicar su naturaleza incesante y la irreversibilidad de su dirección de flujo, sirven como indicadores de que todavía tenemos un largo camino por recorrer para comprender completamente los fascinantes misterios del mundo que nos rodea.