Flecha del tiempo

Una flecha mental relacionada surge porque uno tiene la sensación de que su percepción es un movimiento continuo desde el pasado conocido hacia el futuro desconocido. Este fenómeno tiene dos aspectos: memoria (recordamos el pasado pero no el futuro) y voluntad (sentimos que podemos influir en el futuro pero no en el pasado). Los dos aspectos son consecuencia de la flecha causal del tiempo: los eventos pasados ​​(pero no los futuros) son la causa de nuestros recuerdos presentes, a medida que se forman más y más correlaciones entre el mundo exterior y nuestro cerebro (véase correlaciones y la flecha del tiempo ); y nuestras voliciones y acciones presentes son causas de eventos futuros. Esto se debe a que se cree que el aumento de la entropía está relacionado con el aumento tanto de las correlaciones entre un sistema y su entorno ^{[ 4 ]} como de la complejidad general, bajo una definición apropiada; ^{[ 5 ]} por lo tanto, todo aumenta junto con el tiempo.

El pasado y el futuro también se asocian psicológicamente con nociones adicionales. El inglés , junto con otros idiomas, tiende a asociar el pasado con "detrás" y el futuro con "adelante", con expresiones como "esperar con ansias darte la bienvenida", "recordar los buenos viejos tiempos" o "estar años por delante". Sin embargo, esta asociación de "detrás ⇔ pasado" y "adelante ⇔ futuro" está determinada culturalmente. ^{[ 6 ]} Por ejemplo, el idioma aimara asocia "adelante ⇔ pasado" y "detrás ⇔ futuro" tanto en términos de terminología como de gestos, correspondiendo a que el pasado se observa y el futuro no. ^{[ 7 ] [ 8 ]} De manera similar, el término chino para "pasado mañana" 後天 ("hòutiān") significa literalmente "después (o detrás) del día", mientras que "anteayer" 前天 ("qiántiān") es literalmente "antes (o delante) del día", y los hablantes de chino gesticulan espontáneamente delante para el pasado y detrás para el futuro, aunque hay hallazgos contradictorios sobre si perciben que el yo está delante o detrás del pasado. ^{[ 9 ] [ 10 ]} No hay idiomas que coloquen el pasado y el futuro en un eje izquierda-derecha (por ejemplo, no hay una expresión en inglés como *the meeting was moved to the left ), aunque al menos los hablantes de inglés asocian el pasado con la izquierda y el futuro con la derecha, lo que parece tener su origen en el sistema de escritura de izquierda a derecha. ^{[ 6 ]}

Las palabras "ayer" y "mañana" se traducen a la misma palabra en hindi : कल ("kal"), ^{[ 11 ]} que significa "[un] día después de hoy". ^{[ 12 ]} La ambigüedad se resuelve mediante el tiempo verbal. परसों ("parson") se usa tanto para "anteayer" como para "pasado mañana", o "dos días después de hoy". ^{[ 13 ]}

La otra cara del paso psicológico del tiempo se encuentra en el ámbito de la voluntad y la acción. Planificamos y a menudo ejecutamos acciones destinadas a afectar el curso de los acontecimientos futuros. Del Rubaiyat :

El dedo que escribe sigue su curso; y, habiendo escrito, continúa: ni toda tu piedad ni tu ingenio podrán hacer que retroceda para borrar media línea, ni todas tus lágrimas podrán borrar una sola palabra.     

— Omar Khayyam (traducción de Edward Fitzgerald ).

En junio de 2022, los investigadores informaron ^{[ 14 ]} en Physical Review Letters que las salamandras estaban demostrando respuestas contraintuitivas a la flecha del tiempo en la forma en que sus ojos percibían diferentes estímulos.

La flecha del tiempo representa la "dirección unidireccional" o "asimetría" del tiempo. La flecha termodinámica del tiempo viene dada por la segunda ley de la termodinámica , que establece que en un sistema aislado, la entropía tiende a aumentar con el tiempo. La entropía puede considerarse una medida del desorden microscópico; por lo tanto, la segunda ley implica que el tiempo es asimétrico con respecto al grado de orden en un sistema aislado: a medida que un sistema avanza en el tiempo, se vuelve estadísticamente más desordenado. Esta asimetría puede utilizarse empíricamente para distinguir entre el futuro y el pasado, aunque la medición de la entropía no mide el tiempo con precisión. Asimismo, en un sistema abierto, la entropía puede disminuir con el tiempo. Un experimento mental interesante sería preguntarse: "si la entropía aumentara en un sistema abierto, ¿cambiaría la polaridad de la flecha del tiempo y apuntaría hacia el pasado?".

El físico británico Sir Alfred Brian Pippard escribió: «Por lo tanto, no hay justificación para la opinión, a menudo repetida con ligereza, de que la Segunda Ley de la Termodinámica es solo estadísticamente verdadera, en el sentido de que ocurren violaciones microscópicas repetidamente, pero nunca violaciones de ninguna magnitud seria. Por el contrario, nunca se ha presentado evidencia de que la Segunda Ley falle bajo ninguna circunstancia». ^{[ 15 ]} Sin embargo, hay varias paradojas con respecto a la violación de la segunda ley de la termodinámica , una de ellas debida al teorema de recurrencia de Poincaré .

Esta flecha del tiempo parece estar relacionada con todas las demás flechas del tiempo y, posiblemente, subyace a algunas de ellas, con la excepción de la flecha débil del tiempo .

El libro de Harold Blum de 1951, La flecha del tiempo y la evolución ^{[ 16 ],} analiza «la relación entre la flecha del tiempo (la segunda ley de la termodinámica) y la evolución orgánica ». Este influyente texto explora « la irreversibilidad y la dirección en la evolución, así como el orden, la negentropía y la evolución ». ^{[ 17 ]} Blum argumenta que la evolución siguió patrones específicos predeterminados por la naturaleza inorgánica de la Tierra y sus procesos termodinámicos. ^{[ 18 ]}

La flecha cosmológica del tiempo apunta en la dirección de la expansión del universo. Podría estar vinculada a la flecha termodinámica , indicando que el universo se dirige hacia una muerte térmica (el Gran Enfriamiento) a medida que la cantidad de energía libre termodinámica se vuelve insignificante. Alternativamente, podría ser un artefacto de nuestra posición en la evolución del universo (véase el sesgo antrópico ), con esta flecha invirtiéndose a medida que la gravedad atrae todo de vuelta hacia un Gran Colapso .

Si esta flecha del tiempo se relaciona con las demás flechas del tiempo, entonces el futuro es, por definición, la dirección hacia la que el universo se expande. Por lo tanto, el universo se expande —en lugar de contraerse— por definición.

Se cree que la flecha termodinámica del tiempo y la segunda ley de la termodinámica son consecuencia de las condiciones iniciales del universo primitivo. ^{[ 19 ]} Por lo tanto, en última instancia, resultan de la configuración cosmológica.

Las ondas, desde las ondas de radio hasta las ondas sonoras, pasando por las que se propagan en un estanque al lanzar una piedra, se expanden desde su origen, aunque las ecuaciones de onda contemplan soluciones tanto para ondas convergentes como radiativas. Esta tendencia se ha invertido en experimentos cuidadosamente diseñados que generaron ondas convergentes ^{[ 20 ]} , por lo que probablemente se derive de la tendencia termodinámica, ya que cumplir las condiciones para producir una onda convergente requiere un orden mayor que las condiciones para una onda radiativa. Dicho de otro modo, la probabilidad de que las condiciones iniciales produzcan una onda convergente es mucho menor que la probabilidad de que produzcan una onda radiativa. De hecho, normalmente una onda radiativa aumenta la entropía, mientras que una convergente la disminuye, lo que hace que esta última sea contradictoria con la segunda ley de la termodinámica en circunstancias normales.

Una causa precede a su efecto: el evento causal ocurre antes que el evento que causa o afecta. El nacimiento, por ejemplo, sigue a una concepción exitosa y no al revés. Así, la causalidad está íntimamente ligada al transcurso del tiempo.

Un problema epistemológico al usar la causalidad como una flecha del tiempo es que, como sostenía David Hume , la relación causal en sí misma no puede percibirse; solo se perciben secuencias de eventos. Además, resulta sorprendentemente difícil explicar con claridad el verdadero significado de los términos causa y efecto, o definir los eventos a los que se refieren. Sin embargo, parece evidente que dejar caer un vaso de agua es una causa, mientras que el posterior hecho de que el vaso se rompa y derrame el agua es el efecto.

Físicamente hablando, se cree que las correlaciones entre un sistema y su entorno aumentan con la entropía, y se ha demostrado que son equivalentes a ella en un caso simplificado de un sistema finito que interactúa con el entorno. ^{[ 4 ]} La suposición de una baja entropía inicial es, de hecho, equivalente a suponer que no existen correlaciones iniciales en el sistema; por lo tanto, las correlaciones solo pueden crearse a medida que avanzamos en el tiempo, no hacia atrás. Controlar el futuro , o hacer que algo suceda, crea correlaciones entre el que actúa y el efecto, ^{[ 21 ]} y por lo tanto la relación entre causa y efecto es un resultado de la flecha termodinámica del tiempo, una consecuencia de la segunda ley de la termodinámica. ^{[ 22 ]} De hecho, en el ejemplo anterior de la taza que cae, las condiciones iniciales tienen un alto orden y una baja entropía, mientras que el estado final tiene altas correlaciones entre partes relativamente distantes del sistema: los pedazos rotos de la taza, así como el agua derramada, y el objeto que hizo que la taza cayera.

La evolución cuántica se rige por ecuaciones de movimiento que son simétricas en el tiempo (como la ecuación de Schrödinger en la aproximación no relativista) y por el colapso de la función de onda , que es un proceso irreversible en el tiempo y solo es físicamente real en interpretaciones explícitas de colapso de la teoría cuántica, como el modelo de Diósi-Penrose , la teoría de Ghirardi-Rimini-Weber o la interpretación transaccional , que utiliza la teoría de acción directa o "absorbente" de campos.

El enfoque convencional es asumir que la decoherencia cuántica explica la irreversibilidad y la segunda ley de la termodinámica, afirmando así derivar la flecha cuántica del tiempo de la flecha termodinámica del tiempo ; sin embargo, esto es objeto de debate, ya que se asume que la dinámica subyacente es unitaria y, por lo tanto, reversible. ^{[ 23 ]} Una explicación convencional de la decoherencia es decir que, tras cualquier dispersión de partículas o interacción entre dos sistemas más grandes, las fases relativas de los dos sistemas están inicialmente relacionadas de forma ordenada, pero las interacciones subsiguientes (con partículas o sistemas adicionales) las hacen menos relacionadas, de modo que los dos sistemas se vuelven decoherentes. Así, la decoherencia es una forma de aumento del desorden microscópico ; en resumen, la decoherencia aumenta la entropía. Dos sistemas decoherentes ya no pueden interactuar mediante superposición cuántica , a menos que vuelvan a ser coherentes, lo cual normalmente es imposible, según la segunda ley de la termodinámica. ^{[ 24 ]} En el lenguaje de la mecánica cuántica relacional, el observador se entrelaza con el estado medido, donde este entrelazamiento aumenta la entropía. Como afirma Seth Lloyd , "la flecha del tiempo es una flecha de correlaciones crecientes". ^{[ 25 ] [ 26 ]} 

Sin embargo, bajo circunstancias especiales, se pueden preparar condiciones iniciales que causarán una disminución en la decoherencia y en la entropía. Esto se ha demostrado experimentalmente en 2019, cuando un equipo de científicos rusos informó la inversión de la flecha cuántica del tiempo en una computadora cuántica de IBM , en un experimento que respalda la comprensión de la flecha cuántica del tiempo como emergente de la termodinámica. ^{[ 27 ]} Al observar el estado de la computadora cuántica hecha de dos y luego tres cúbits superconductores , encontraron que en el 85% de los casos, la computadora de dos cúbits regresó al estado inicial. ^{[ 28 ]} La inversión del estado fue hecha por un programa especial, de manera similar a la fluctuación aleatoria del fondo de microondas en el caso del electrón . ^{[ 28 ]} Sin embargo, según las estimaciones, a lo largo de la edad del universo (alrededor de 14 mil millones de años) tal inversión del estado del electrón solo ocurriría una vez, durante 0.06 nanosegundos . ^{[ 28 ]} El experimento de los científicos condujo a la posibilidad de un algoritmo cuántico que invierte un estado cuántico dado a través de la conjugación compleja del estado. ^{[ 27 ]}  

Cabe señalar que la decoherencia cuántica simplemente permite la apariencia de colapso de onda cuántica (basado en la desaparición de elementos diagonales de la matriz de densidad); se debate si el colapso en sí mismo ocurre realmente o si es redundante y solo aparente. Si bien la teoría de la decoherencia cuántica es ampliamente aceptada y ha sido respaldada experimentalmente a nivel de la matriz de densidad aplicable, la incapacidad de la teoría convencional para predecir resultados de medición reales mediante colapso no unitario persiste. Es decir, la matriz de densidad obtenida a partir de la decoherencia unitaria estándar (sin colapso real) es una mezcla impropia que no puede interpretarse como un reflejo de un resultado de medición determinado. Por lo tanto, la cuestión de la flecha del tiempo continúa abordándose mediante enfoques de colapso explícito. ^{[ 29 ]}

Ciertas interacciones subatómicas que involucran la fuerza nuclear débil violan la conservación de la paridad y la conjugación de carga , pero solo en raras ocasiones. Un ejemplo es la desintegración del kaón . ^{[ 30 ]} Según el teorema CPT , esto significa que también deberían ser irreversibles en el tiempo, estableciendo así una flecha del tiempo. Estos procesos deberían ser responsables de la creación de materia en el universo primitivo.

Que la combinación de paridad y conjugación de carga se rompa tan raramente significa que esta flecha apenas apunta en una dirección, diferenciándola de las otras flechas cuya dirección es mucho más evidente. Esta flecha no se había vinculado a ningún comportamiento temporal a gran escala hasta el trabajo de Joan Vaccaro , quien demostró que la violación de T podría ser responsable de las leyes y dinámicas de conservación. ^{[ 31 ]}