MULTIVERSO III / TIEMPO Y ENTROPÍA

MULTIVERSO III / TIEMPO Y ENTROPÍA

De Scientific American /Mayo 2008/ Parte II y final / Pasado y Futuro

Pasado y futuro

Un Universo Simétrico en el Tiempo

Emit fo Worra

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Pasado vs Futuro

La característica más impactante de esta historia es la marcada diferencia entre el pasado y el futuro. El universo empieza en un estado de muy baja entropía: partículas empacadas juntas parejamente. Evoluciona hacia un estado de entropía media: la distribución desigual de estrellas y galaxias que vemos hoy alrededor de nosotros. En última instancia el universo alcanza un estado de alta entropía: casi un espacio vacío, con sólo ocasionales partículas extraviadas de baja energía.

¿Por qué el pasado y el futuro son tan diferentes? No basta con afirmar simplemente una teoría de las condiciones iniciales – una razón por la cual el universo se inició con baja entropía. Como lo ha señalado el filósofo Huw Price de la Universidad de Sidney , cualquier razonamiento que se aplica a las condiciones iniciales debería aplicarse también a las condiciones finales, o de lo contrario vamos a ser culpables de asumir precisamente lo que estábamos tratando de demostrar- que el pasado fue especial. O bien tenemos que asumir la profunda asimetría del tiempo como un objeto contundente característico del universo que escapa a la explicación, o tenemos que cavar más profundo en el funcionamiento del espacio y del tiempo.

http://www.casimir.rl.ac.uk

Muchos cosmólogos han tratado de atribuir la simetría del tiempo al proceso de inflación cosmológica. La inflación es una atractiva explicación para muchos aspectos básicos del universo. De acuerdo con esta idea, el universo muy temprano (o al menos alguna parte de él) no se llenó con las partículas, sino más bien con una forma temporal de la energía oscura, cuya densidad era enormemente superior a la energía oscura que observamos hoy. Esta energía causó que la expansión del universo acelerara a una tasa fantástica, después de lo cual decayó en materia y radiación, dejando tras de sí una pequeña brizna de energía oscura que está llegando a ser relevante una vez más hoy en día. El resto de la historia del big bang, desde el liso gas primordial a las galaxias y más allá, simplemente sigue.

La motivación original para considerar la inflación es porque  proporciona una sólida explicación de las condiciones actuales finamente sintonizada con el universo temprano en particular,  la notablemente uniforme densidad de la materia en regiones muy distantes. La aceleración impulsada por la energía oscura temporal alisa el universo casi a la perfección. La distribución previa de la materia y la energía es irrelevante; una vez que la inflación comienza, elimina cualquier rastro de las condiciones preexistentes, dejándonos con un universo temprano caliente, denso, liso.

El paradigma inflacionario ha sido muy exitoso en muchos sentidos. Sus predicciones de las pequeñas desviaciones de perfecta uniformidad, estan de acuerdo con las observaciones de variaciones de densidad en el universo. Como una explicación de la asimetría del tiempo, sin embargo, los cosmólogos cada vez más consideramos que es un poco tramposo, por razones que Roger Penrose de la Universidad de Oxford y otros han puesto de relieve. Para que el proceso trabaje como se desea, la energía oscura ultradensa tuvo que comenzar en una configuración muy concreta. De hecho, su entropía tuvo que ser increíblemente más pequeña que la entropía del gas caliente, denso en que decayó. Ello implica que la inflación no ha resuelto nada en realidad: que “explica” un estado de entropía inusualmente bajo (un gas uniforme, denso, caliente) a través de una previa situación de aún más baja entropía (un parche liso de espacio dominado por energía oscura ultradensa). Eso simplemente empuja el rompecabezas de un paso atrás: ¿La inflación nunca ocurrió?

Una de las razones por la que muchos cosmólogos invocan la inflación como una explicación de la asimetría del tiempo es que la configuración inicial de la energía oscura no parece del todo improbable. En el momento de la inflación, nuestro universo observable es de menos de un centímetro de ancho. De manera intuitiva, por ejemplo, una pequeña región no tiene muchos micro estados, por lo que no es tan improbable para el universo tropezar por accidente en el micro estado correspondiente a la inflación.

Lamentablemente, esta intuición es engañosa. El universo temprano, aunque sea sólo un centímetro de ancho, tiene exactamente el mismo número de micro estados que todo el universo observable hoy. Según las reglas de la mecánica cuántica, el número total de micro estados en un sistema nunca cambia. (La entropía no aumenta a causa del número de micro estados sino porque el sistema natural lo eleva hasta el macro estado genérico más posible.) De hecho, el universo primitivo es el mismo sistema físico que el último universo. Uno se transforma en el otro, después de todo.

Entre todas las diferentes maneras que el universo puede arreglar a si mismo los micro estados, sólo una increíblemente pequeña fracción corresponden a una configuración lisa de energía oscura ultradensa compactada en un pequeño volumen. Las condiciones necesarias para que la inflación empiece son extremadamente especializadas y, desde allí, describe una configuración de muy baja entropía. Si fuera a escoger las configuraciones del universo al azar, que sería muy poco probable que acertara con las condiciones adecuadas para iniciar la inflación. La inflación no explica, por sí sola, por qué el universo temprano tiene una baja entropía, sino que simplementela asume que desde el principio.

Un Universo Simétrico en el Tiempo


De este modo, la inflación ayuda a explicar por qué el pasado es diferente del futuro. Una audaz estrategia simple consiste decir: tal vez el pasado muy lejano no es diferente del futuro después de todo. Tal vez el pasado lejano, al igual que el futuro, es en realidad un a estado de alta entropía. Si es así, el estado caliente, denso que hemos venido llamando “el universo primitivo” no es en realidad el verdadero comienzo del universo, sino sólo un estado de transición entre las etapas de su historia.

Algunos cosmólogos imaginan que el universo pasó a través de un “rebote.” Antes de este acontecimiento, el espacio estaba contrayéndose, pero en lugar de simplemente colapsar en un punto de densidad infinita, los nuevos principios físicos – la gravedad cuántica, otras dimensiones, la teoría de las cuerdas u otros fenómenos exóticos – de una patada en la mesa salvan el día en el último minuto, y el universo sale al otro lado de lo que ahora se percibe como el big bang. Aunque intrigantes, las cosmologías que rebotan no explican la flecha del tiempo. Ya sea la entropía estaba aumentando como antes cuando el universo se acercó al crujido (colapso contractivo gravitacional),-en cuyo caso la flecha del tiempo se extiende infinitamente lejos en el pasado-, ya sea la entropía estaba disminuyendo, en cuyo caso bajo una condición anti-natural de baja entropía ocurrió “un rebote”en el centro de la historia del universo . De cualquier manera, hemos pasado de nuevo la pelota sobre la cuestión de por qué la entropía fue pequeña cerca de lo que llamamos el big bang.

En cambio vamos a suponer que el universo empezó en un alto estado de entropía, que es su estado más natural. Un buen candidato para ese estado es el espacio vacío. Al igual que cualquier buen alto estado entropía, la tendencia de espacio vacío es simplemente sentarse allí, inmutable. Por lo tanto, el problema es: ¿Cómo podemos hacer que nuestro actual universo salga de un desolado y reposado espacio? El secreto podría consistir en la existencia de energía oscura.

En presencia de la energía oscura, el espacio vacío no está completamente vacío. Las fluctuaciones en los campos cuánticos dan lugar a una temperatura muy baja- muy inferior a la temperatura de hoy del universo pero, no obstante, no totalmente cero absoluto. Todos los campos cuánticos experimentan ocasionales fluctuaciones térmicas en ese universo. Esto significa que no está perfectamente en reposo; si esperamos el tiempo suficiente, las partículas individuales e incluso importantes colecciones de partículas fluctuaran en existencia, sólo para dispersarse una vez más en el vacío. (Esas son partículas reales, en contraposición a las partículas de corta duración “virtual” que contiene el espacio vacío, incluso en ausencia de la energía oscura.)

Entre las cosas que pueden variar en existencia estan pequeños parches de energía oscura ultradena. Si las condiciones son las correctas, ese parche puede pasar a un proceso de inflación y deviene hasta formar un universo aparte del universo todo, un universo bebé. Nuestro universo puede ser descendiente de algún otro universo.

Superficialmente, esta hipótesis tiene cierta semejanza con la norma estándar de la inflación. Allí, también, afirmamos que surge por casualidad un parche de energía oscura ultradensa, encendiendo la inflación. La diferencia es la naturaleza de las condiciones iniciales. En la norma estandar, el parche surgió en un universo fluctuante salvajemente, en el que la mayor parte de las fluctuaciones produjeron algo en nada parecido a la inflación. Parece ser mucho más probable para el universo fluctuar directamente en big bang caliente, sin pasar por la fase inflacionista del todo. De hecho, en lo que respecta a la entropía se refiere, sería aún más probable para el universo fluctuar directamente en la configuración que vemos hoy, sin pasar por los últimos 14 millones de años de evolución cósmica.

En nuestro nuevo escenario, el universo preexistente nunca ha sido fluctuante al azar, sino que estaba en un estado muy concreto: el espacio vacío. Lo que esta teoría clama – y lo que queda por demostrar- es que la más forma más probable de crear un universo como el nuestro desde tal estado preexistente es pasar por un período de inflación, en lugar de fluctuar allí directamente. Nuestro universo, en otras palabras, es una fluctuación, pero no de forma aleatoria.

Emit fo Worra

Esta hipótesis, propuesta en 2004 por Jennifer Chen de la Universidad de Chicago y yo, proporciona una solución provocativa al origen de la asimetría del tiempo en nuestro universo observable: vemos sólo una pequeña parcela de la gran imagen, y este gran escenario es completamente simétrico en el tiempo. La entropía puede aumentar sin límite mediante la creación de nuevos universos bebé.

Big Galaxy in Baby Universe

http://photojournal.jpl.nasa.gov/mission/HST?order=Instrument&sort=ASC&start=10

Lo mejor de todo, esta historia puede ser contada hacia atrás y hacia adelante en el tiempo. Imagíne que empezamos con el espacio vacío en algún momento particular y lo vemos evolucionar en el futuro y en el pasado. (Va en ambos sentidos porque no estamos presumiendo una flecha unidireccional de tiempo.) Los universos bebes fluctúan en existencia en ambas direcciones del tiempo, eventualmente vaciándose y dando a luz a bebés de ellos mismos. En escalas ultra grandes, tal multiverso sería estadísticamente simétrico con respecto al tiempo-tanto el pasado y el futuro, incorporando nuevos universos fluctuantes en vida y proliferando sin límites. Cada uno de ellos experimentarían una flecha de tiempo, pero la mitad tenría una flecha que se invertida con respecto a que a los demás.

La idea de un universo con una flecha hacia atrás del tiempo podría parecer alarmante. Si nos encontramos con alguien de ese universo, ¿ recordarían el futuro? Afortunadamente, no hay peligro de tal rendez-vous. En el escenario que estamos describiendo, los únicos lugares donde el tiempo parece correr hacia atrás son enormemente lejanos en nuestro pasado-mucho antes de nuestro big bang. De entre una amplia extensión del universo en el que el tiempo no parece correr de ninguna manera, casi sin importar existe, y la entropía no evoluciona. Cualquiera de los seres que viven en una de esas regiones de tiempo inverso no nacen viejos y mueren joven-o cualquier otra cosa fuera de lo común. Para ellos, el tiempo de fluye en una forma totalmente convencional. Es sólo cuando se compara su universo al nuestro que aparece algo fuera de lo común – nuestro pasado es su futuro, y viceversa. Pero tal comparación es puramente hipotética, porque no podemos llegar y no pueden venir aquí.

A partir de ahora mismo, el juicio está fuera de nuestro modelo. Los cosmólogos han contemplado la idea de universos bebé durante muchos años, pero no entendemos el proceso de parto. Si las fluctuaciones cuánticas podrían crear nuevos universos, también pueden crear muchas otras cosas-por ejemplo, toda una galaxia. En un escenario como el nuestro para explicar el universo que vemos, se tiene que predecir que la mayoría de las galaxias surgen como secuelas de big bang- como eventos y no solo como las fluctuaciones en un universo vacío de otro modo. Si no es así, nuestro universo parecería muy antinatural.

Pero la lección no es ningún escenario particular para la estructura del espacio-tiempo en escalas ultragrandes. Es la idea de que una característica notable de nuestro cosmos observable-la flecha del tiempo, derivada de condiciones de muy baja entropía en el universo temprano-nos puede proporcionar pistas sobre la naturaleza del universo no observable.

Como se mencionó al principio de este artículo, es bueno tener una imagen que se ajusta a los datos, pero los cosmólogos quieren más que eso: buscamos la comprensión de las leyes de la naturaleza y de nuestro particular universo en el que todo tiene sentido para nosotros. No queremos ser reducido a aceptar la extraña características de nuestro universo como un hecho bruto.La dramática asimetría en el tiempo de nuestro cosmos observable parece estar ofreciendo las claves de algo más profundo-una pista del funcionamiento último del espacio-tiempo. Nuestra tarea como los físicos es utilizar esta y otras pistas para crear una imagen.

Si el universo observable fuera todo lo que existe, sería casi imposible considerar la flecha del tiempo de un modo natural. Pero si el universo que nos rodea es una pequeña pieza de un panorama mucho más amplio, nuevas posibilidades se presentan. Podemos concebir nuestro granito de arena del universo como una sola pieza del rompecabezas, parte de la tendencia del sistema más amplio para aumentar su entropía, sin límite en el pasado muy lejos y muy lejos del futuro. Parafraseando el físico Edward Tryon, el big bang es más fácil de entender si no es el comienzo de todo, sino que sólo una de esas cosas que pasa de vez en cuando

Otros investigadores están trabajando sobre ideas relacionadas, ya que cada vez más los cosmólogos están tomando en serio el problema planteado por la flecha del tiempo. Es bastante fácil de observar la flecha – todo lo que tiene que hacer es mezclar un poco de leche en su café. Mientras lo bebe, puede contemplar la forma en que un simple acto puede trazar todo el camino de vuelta al comienzo de nuestro universo observable y quizá más allá.


Esta historia fue originalmente impreso con el título: “The Cosmic Origins of Time’s Arrow”

SOBRE EL AUTOR (S)

Sean M. Carroll es un investigador asociado en física en el California Institute of Technology. Su investigación va más de la cosmología, la física de partículas y la teoría general de Einstein de la relatividad, con una experiencia particular en la energía oscura. Ha sido galardonado con becas de la Sloan Packard y fundaciones, así como el MIT PREMIO Graduado del Consejo de Estudiantes de enseñanza y el Premio Universidad de Villanova de las Artes y las Ciencias de Antiguos Alumni Medallion. Fuera de los círculos académicos, Carroll es mejor conocido como factor que contribuye al blog Cosmic Diferencia, que no sólo es uno de los más reflexivo blog de ciencia, sino también el en que conoció a su esposa, la escritora científica Jennifer Ouellette.

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