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La flecha del tiempo , también llamada flecha del tiempo , es el concepto que postula la "dirección unidireccional" o " asimetría " del tiempo . Fue desarrollado en 1927 por el astrofísico británico Arthur Eddington y es una cuestión de física general sin resolver . Esta dirección, según Eddington, podría determinarse mediante el estudio de la organización de átomos , moléculas y cuerpos , y podría dibujarse en un mapa relativista de cuatro dimensiones del mundo ("un bloque sólido de papel"). [1]

Se cree que los procesos físicos a nivel microscópico son total o principalmente simétricos en el tiempo : si la dirección del tiempo se invirtiera, las afirmaciones teóricas que los describen seguirían siendo verdaderas. Sin embargo, a nivel macroscópico , a menudo parece que este no es el caso: hay una dirección (o flujo ) obvia del tiempo.

Resumen [ editar ]

La simetría del tiempo ( simetría T ) puede entenderse simplemente como lo siguiente: si el tiempo fuera perfectamente simétrico, un video de eventos reales parecería realista tanto si se reproduce hacia adelante como hacia atrás. [2] La gravedad , por ejemplo, es una fuerza reversible en el tiempo. Una pelota que se lanza hacia arriba, se ralentiza hasta detenerse y cae es un caso en el que las grabaciones se verían igualmente realistas hacia adelante y hacia atrás. El sistema es T-simétrico. Sin embargo, el proceso de rebote de la pelota y eventualmente detenerse no es reversible en el tiempo. Mientras avanza, la energía cinética se disipa y la entropía aumenta. La entropía puede ser uno de los pocos procesos que no es reversible en el tiempo.. Según la noción estadística de aumentar la entropía, la "flecha" del tiempo se identifica con una disminución de la energía libre. [3]

En su libro The Big Picture , el físico Sean M. Carroll ha comparado la asimetría del tiempo con la asimetría del espacio: mientras que las leyes físicas son en general isotrópicas , cerca de la Tierra hay una distinción obvia entre "arriba" y "abajo", debido a proximidad a este enorme cuerpo, que rompe la simetría del espacio. De manera similar, las leyes físicas son en general simétricas al cambio de dirección del tiempo, pero cerca del Big Bang (es decir, en los primeros billones de años siguientes) hay una distinción obvia entre "hacia adelante" y "hacia atrás" en el tiempo, debido a la relativa proximidad a este evento especial, que rompe la simetría del tiempo. Bajo este punto de vista, todas las flechas del tiempo son el resultado de nuestra relativa proximidad en el tiempo al Big Bang y las circunstancias especiales que existían entonces. (Estrictamente hablando, las interacciones débiles son asimétricas tanto a la reflexión espacial como al cambio de dirección del tiempo. Sin embargo, obedecen a una simetría más complicada que incluye a ambos).

Concepción de Eddington [ editar ]

En el libro de 1928 La naturaleza del mundo físico , que ayudó a popularizar el concepto, Eddington declaró:

Dibujemos una flecha arbitrariamente. Si a medida que seguimos la flecha encontramos cada vez más elementos aleatorios en el estado del mundo, entonces la flecha apunta hacia el futuro; si el elemento aleatorio disminuye, la flecha apunta hacia el pasado. Ésa es la única distinción que conoce la física . Esto se sigue de inmediato si se admite nuestro argumento fundamental de que la introducción de la aleatoriedad es lo único que no se puede deshacer. Usaré la frase "flecha del tiempo" para expresar esta propiedad unidireccional del tiempo que no tiene análogo en el espacio.

Eddington luego da tres puntos a tener en cuenta sobre esta flecha:

  1. Es vívidamente reconocido por la conciencia .
  2. También insiste en ello nuestra facultad de razonamiento, que nos dice que una inversión de la flecha haría que el mundo exterior no tuviera sentido.
  3. No aparece en la ciencia física excepto en el estudio de la organización de varios individuos. (Con lo que quiere decir que solo se observa en la entropía, un fenómeno de mecánica estadística que surge de un sistema).

Según Eddington, la flecha indica la dirección de aumento progresivo del elemento aleatorio. Siguiendo un extenso argumento sobre la naturaleza de la termodinámica , concluye que, en lo que respecta a la física, la flecha del tiempo es una propiedad de la entropía únicamente.

Flechas [ editar ]

Flecha termodinámica del tiempo [ editar ]

La flecha del tiempo es la "dirección unidireccional" o "asimetría" del tiempo. La flecha termodinámica del tiempo la proporciona la segunda ley de la termodinámica , que dice que en un sistema aislado, la entropía tiende a aumentar con el tiempo. Se puede pensar en la entropía como una medida de desorden microscópico; así, la segunda ley implica que el tiempo es asimétrico con respecto a la cantidad de orden en un sistema aislado: a medida que un sistema avanza en el tiempo, se vuelve más desordenado estadísticamente. Esta asimetría se puede utilizar empíricamente para distinguir entre futuro y pasado, aunque la medición de la entropía no mide el tiempo con precisión. Además, en un sistema abierto, la entropía puede disminuir con el tiempo.

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 sólo es estadísticamente cierta, en el sentido de que ocurren repetidamente violaciones microscópicas, pero nunca violaciones de ninguna magnitud grave. Por el contrario, nunca se ha presentado ninguna prueba de que la Segunda Ley se rompa bajo ninguna circunstancia ". [4] Sin embargo, hay una serie de paradojas con respecto a la violación de la segunda ley de la termodinámica , una de ellas debido 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 . [ aclaración necesaria ]

El libro de 1951 de Harold Blum , Time's Arrow and Evolution [5] "exploró 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 y el orden, la negentropía y la evolución ". [6] Blum sostiene que la evolución siguió patrones específicos predeterminados por la naturaleza inorgánica de la tierra y sus procesos termodinámicos. [7]

Flecha cosmológica del tiempo [ editar ]

La flecha cosmológica del tiempo apunta en la dirección de la expansión del universo. Puede estar vinculado a la flecha termodinámica, con el universo dirigiéndose hacia una muerte por calor (Big Chill) a medida que la cantidad de energía utilizable se vuelve insignificante. Alternativamente, puede ser un artefacto de nuestro lugar en la evolución del universo (ver el sesgo antrópico ), con esta flecha invirtiéndose cuando la gravedad empuja todo hacia un Big Crunch .

Si esta flecha del tiempo está relacionada con las otras flechas del tiempo, entonces el futuro es, por definición, la dirección hacia la que el universo se hace más grande. Por tanto, el universo se expande, en lugar de encogerse, por definición.

Se cree que la flecha termodinámica del tiempo y la segunda ley de la termodinámica son una consecuencia de las condiciones iniciales en el universo temprano. [8] Por lo tanto, en última instancia, son el resultado de la configuración cosmológica.

Flecha radiante del tiempo [ editar ]

Las ondas, desde las ondas de radio hasta las ondas sonoras y las de un estanque al arrojar una piedra, se expanden hacia afuera desde su fuente, aunque las ecuaciones de ondas se adaptan a soluciones de ondas convergentes y radiativas. Esta flecha se ha invertido en experimentos cuidadosamente trabajados que crearon ondas convergentes, [9]por lo que esta flecha probablemente se sigue de la flecha termodinámica en el sentido de que cumplir las condiciones para producir una onda convergente requiere más orden que las condiciones para una onda radiativa. Dicho de otra manera, la probabilidad de que las condiciones iniciales produzcan una onda convergente es mucho menor que la probabilidad de que las condiciones iniciales produzcan una onda radiativa. De hecho, normalmente una onda radiativa aumenta la entropía, mientras que una onda convergente la disminuye, [ cita requerida ] haciendo que esta última sea contradictoria con la segunda ley de la termodinámica en circunstancias habituales.

Flecha causal del tiempo [ editar ]

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

Un problema epistemológico con el uso de la causalidad como una flecha del tiempo es que, como sostenía David Hume , la relación causal per se no puede percibirse; uno solo percibe secuencias de eventos. Además, es sorprendentemente difícil proporcionar una explicación clara de lo que realmente significan los términos causa y efecto, o definir los eventos a los que se refieren. Sin embargo, parece evidente que dejar caer una taza de agua es una causa, mientras que la taza se rompe y derrama el agua posteriormente 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. [10] La suposición de una entropía inicial baja es de hecho equivalente a suponer que no hay correlaciones iniciales en el sistema; por 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 hacedor y el efecto, [11] y por lo tanto la relación entre causa y efecto es el resultado de la flecha termodinámica del tiempo, una consecuencia de la segunda ley de la termodinámica. [12] De hecho, en el ejemplo anterior de caída de la taza, las condiciones iniciales tienen un orden alto y una entropía baja, mientras que el estado final tiene altas correlaciones entre partes relativamente distantes del sistema: los pedazos rotos de la taza, así como las gotas derramadas de la taza. agua y el objeto que hizo que la taza se cayera.

Física de partículas (débil) flecha del tiempo [ editar ]

Ciertas interacciones subatómicas que involucran la fuerza nuclear débil violan la conservación tanto de la paridad como de la conjugación de cargas , pero solo en muy raras ocasiones. Un ejemplo es la desintegración de kaon . [13] De acuerdo con el teorema CPT , esto significa que también deberían ser irreversibles en el tiempo, y así establecer una flecha de tiempo. Tales procesos deberían ser responsables de la creación de materia en el universo temprano.

El hecho de que la combinación de conjugación de paridad y carga se rompa tan raramente significa que esta flecha sólo apunta "apenas" en una dirección, lo que la distingue de las otras flechas cuya dirección es mucho más obvia. Esta flecha no se había relacionado con 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. [14]

Flecha cuántica del tiempo [ editar ]

La evolución cuántica se rige por ecuaciones de movimientos 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 es real (según la interpretación de Copenhague de la teoría cuántica). mecánica ) o aparente solamente (por la interpretación de muchos mundos y la interpretación de la mecánica cuántica relacional ).

La teoría de la decoherencia cuántica explica por qué el colapso de la función de onda ocurre de manera asimétrica en el tiempo debido a la segunda ley de la termodinámica, derivando así la flecha cuántica del tiempo de la flecha termodinámica del tiempo . En esencia, después de cualquier dispersión de partículas o interacción entre dos sistemas más grandes, las fases relativas de los dos sistemas están al principio relacionadas ordenadamente, pero las interacciones posteriores (con partículas o sistemas adicionales) las hacen menos, de modo que los dos sistemas se vuelven decoherentes. Por tanto, la decoherencia es una forma de aumento del desorden microscópico; en resumen, la decoherencia aumenta la entropía. Dos sistemas decoherentes ya no pueden interactuar a través de la superposición cuántica, a menos que vuelvan a ser coherentes, lo que normalmente es imposible, según la segunda ley de la termodinámica. [15] En el lenguaje de la mecánica cuántica relacional, el observador se enreda con el estado medido, donde este entrelazamiento aumenta la entropía. Como dijo Seth Lloyd , "la flecha del tiempo es una flecha de correlaciones crecientes". [dieciséis]

Sin embargo, en circunstancias especiales, se pueden preparar las condiciones iniciales que provocarán 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 apoya la comprensión de la flecha cuántica del tiempo como emergente de la termodinámica. [17]

Al observar el estado de la computadora cuántica compuesta por dos y más tarde tres qubits superconductores , encontraron que en el 85% de los casos, la computadora de dos qubits regresó al estado inicial. [18] La inversión del estado se realizó mediante un programa especial, de manera similar a la fluctuación aleatoria de fondo de microondas en el caso del electrón . [18] Sin embargo, según las estimaciones, a lo largo de la edad del universo (13,7 mil millones de años) tal inversión del estado del electrón sólo ocurriría una vez, durante 0,06 nanosegundos . [18] El experimento de los científicos llevó a la posibilidad de un algoritmo cuántico.que invierte un estado cuántico dado mediante una conjugación compleja . [17] [ vago ]

Tenga en cuenta que la decoherencia cuántica simplemente permite el proceso de colapso de ondas cuánticas; es una cuestión de disputa si el colapso en sí tiene lugar realmente o es redundante y sólo aparente. Sin embargo, dado que la teoría de la decoherencia cuántica ahora es ampliamente aceptada y se ha apoyado experimentalmente, esta disputa ya no puede considerarse relacionada con la cuestión de la flecha del tiempo. [15]

Flecha psicológica / perceptiva del tiempo [ editar ]

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 y no el futuro; y volición: sentimos que podemos influir en el futuro pero no en el pasado. Los dos aspectos son una consecuencia de la flecha causal del tiempo: los eventos pasados ​​(pero no los eventos futuros) son la causa de nuestros recuerdos presentes, a medida que se forman más y más correlaciones entre el mundo exterior y nuestro cerebro (ver correlaciones y la flecha de tiempo ); y nuestras voliciones y acciones presentes son causas de eventos futuros. Esto se debe a que se cree que el aumento de entropía está relacionado con el aumento de ambas correlaciones entre un sistema y su entorno [10].y de la complejidad general, bajo una definición adecuada, [19] por lo tanto, todos aumentan junto con el tiempo.

El pasado y el futuro también están asociados 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 "estar deseando darte la bienvenida", "mirar atrás a los buenos tiempos" o " estar años por delante ". Sin embargo, esta asociación de "atrás ⇔ pasado" y "adelante ⇔ futuro" está determinada culturalmente. [20] Por ejemplo, la lengua aymara asocia "adelante ⇔ pasado" y "detrás ⇔ futuro" tanto en términos de terminología como de gestos, lo que corresponde al pasado que se observa y el futuro no se observa. [21] [22] Del mismo modo, los chinostérmino para "pasado mañana" 後天 ("hòutiān") significa literalmente "después (o detrás) del día", mientras que "anteayer" 前天 ("qiántiān") es literalmente "día anterior (o al frente)", y los hablantes de chino gesticulan espontáneamente hacia el pasado y hacia atrás para el futuro, aunque hay hallazgos contradictorios sobre si perciben que el ego está delante o detrás del pasado. [23] [24] No hay idiomas que coloquen el pasado y el futuro en un eje de izquierda a derecha (p. Ej., No hay una expresión en inglés como * la reunión se movió a la izquierda ), aunque al menos los angloparlantes asocian el el pasado con la izquierda y el futuro con la derecha. [20]

Las palabras "ayer" y "mañana" se traducen ambas a la misma palabra en hindi : कल ("kal"), [25] que significa "[un] día alejado de hoy". [26] La ambigüedad se resuelve mediante el tiempo verbal. परसों ("parsoⁿ") se usa para "anteayer" y "pasado mañana", o "dos días a partir de hoy". [27] नरसों ("narsoⁿ") se usa para "tres días a partir de hoy". [28]

El otro lado del paso psicológico del tiempo está en el ámbito de la voluntad y la acción. Planificamos y, a menudo, ejecutamos acciones destinadas a afectar el curso de los eventos en el futuro. Desde el Rubaiyat :

El dedo en movimiento escribe; y, habiendo escrito,
  sigue adelante: ni toda tu piedad ni tu ingenio.
Lo atraerá de nuevo para cancelar media línea,
  ni todas tus lágrimas lavarán una palabra de ella.

- Omar Khayyám (traducción de Edward Fitzgerald ).

Ver también [ editar ]

  • Una breve historia del tiempo
  • Sesgo antrópico
  • Ilya Prigogine
  • La paradoja de Loschmidt
  • Demonio de Maxwell
  • Conferencias de Navidad de la Royal Institution 1999
  • Chakra samay
  • Evolución del tiempo
  • Procesamiento de señales de inversión de tiempo
  • Teoría del absorbedor de Wheeler-Feynman

Referencias [ editar ]

  1. ^ Weinert, Friedel (2005). El científico como filósofo: consecuencias filosóficas de los grandes descubrimientos científicos . Saltador. pag. 143. ISBN 978-3-540-21374-1., Capítulo 4, pág. 143
  2. ^ David Albert sobre tiempo y oportunidad
  3. ^ Tuisku, P .; Pernu, TK; Annila, A. (2009). "A la luz del tiempo" . Proceedings of the Royal Society A . 465 (2104): 1173–1198. Código Bibliográfico : 2009RSPSA.465.1173T . doi : 10.1098 / rspa.2008.0494 .
  4. ^ AB Pippard, Elementos de termodinámica química para estudiantes avanzados de física (1966), p.100.
  5. ^ Blum, Harold F. (1951). La flecha del tiempo y la evolución (Primera ed.). ISBN 978-0-691-02354-0.
  6. ^ Morowitz, Harold J. (septiembre de 1969). "Reseña del libro: La flecha del tiempo y la evolución: Tercera edición" . Ícaro . 11 (2): 278-279. Código Bibliográfico : 1969Icar ... 11..278M . doi : 10.1016 / 0019-1035 (69) 90059-1 . PMC 2599115 . 
  7. ^ McN., WP (noviembre de 1951). "Reseñas de libros: la flecha del tiempo y la evolución" . Revista de Yale de Biología y Medicina . 24 (2): 164. PMC 2599115 . 
  8. ^ Susskind, Leonard. "Boltzmann y la flecha del tiempo: una perspectiva reciente" . Universidad de Cornell . Universidad de Cornell . Consultado el 1 de junio de 2016 .
  9. ^ Mathias Fink (30 de noviembre de 1999). "Acústica de tiempo invertido" (PDF) . Archivado desde el original (PDF) el 31 de diciembre de 2005 . Consultado el 27 de mayo de 2016 .
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  12. ^ Orígenes físicos de la asimetría del tiempo , capítulo 6
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  15. ↑ a b Schlosshauer, M. (2005). La decoherencia, el problema de la medición y las interpretaciones de la mecánica cuántica. Reseñas de la física moderna, 76 (4), 1267.
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  17. ↑ a b G. B. Lesovik, IA Sadovskyy, MV Suslov, AV Lebedev, VM Vinokur (13 de marzo de 2019). "Flecha del tiempo y su inversión en la computadora cuántica de IBM" . Naturaleza . 9 (1): 4396. arXiv : 1712.10057 . doi : 10.1038 / s41598-019-40765-6 . PMC 6416338 . PMID 30867496 . S2CID 3527627 .   Mantenimiento de CS1: utiliza el parámetro de autores ( enlace )
  18. ^ a b c "Los físicos invierten el tiempo usando una computadora cuántica" . Phys.org . 13 de marzo de 2019 . Consultado el 13 de marzo de 2019 .
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  21. ^ Para la tribu de los Andes, es de regreso al futuro - consultado el 26 de septiembre de 2006
  22. Núñez Rafael E., Sweetser Eve. "Con el futuro detrás de ellos: evidencia convergente del lenguaje y el gesto aymara en la comparación cruzada de construcciones espaciales del tiempo" (PDF) . Departamento de Ciencias Cognitivas, Universidad de California en San Diego . Consultado el 8 de marzo de 2020 .
  23. ^ Gu, Yan; Zheng, Yeqiu; Swerts, Marc (2019). "¿Qué está frente a los chinos, pasado o futuro? El efecto del lenguaje y la cultura en los gestos temporales y las concepciones espaciales del tiempo" . Ciencia cognitiva . 43 (12): e12804. doi : 10.1111 / cogs.12804 . ISSN 1551-6709 . PMC 6916330 . PMID 31858627 .   
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Lectura adicional [ editar ]

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  • Carroll, Sean (2010). Desde la eternidad hasta aquí: la búsqueda de la última teoría del tiempo . Dutton. Sitio web
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  • Feynman, Richard (1965). El carácter de la ley física . Publicaciones de la BBC. Capítulo 5.
  • Halliwell, JJ; et al. (1994). Orígenes físicos de la asimetría temporal . Cambridge. ISBN 978-0-521-56837-1. (técnico).
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  • Peierls, R. (1979). Sorpresas en Física Teórica . Princeton. Sección 3.8.
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  • Penrose, Roger (2004). El camino a la realidad . Jonathan Cape. ISBN 978-0-224-04447-9. Capítulo 27.
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  • Zeh, H. D (2010). La base física de la dirección del tiempo . ISBN 978-3-540-42081-1. Sitio web oficial del libro
  • "Experimento BaBar confirma asimetría de tiempo" .

Enlaces externos [ editar ]

  • El Acuerdo de desacuerdo de Ritz-Einstein , una revisión de las perspectivas históricas del tema, antes de la evolución de la teoría cuántica de campos .
  • La flecha termodinámica: puzzles y pseudo-puzzles Huw Price en Time's Arrow
  • Flecha del tiempo en un modelo de juguete discreto
  • La flecha del tiempo
  • ¿Por qué el tiempo corre sólo hacia adelante? Por Adam Becker , bbc.com.