En física teórica , el problema del tiempo es un conflicto conceptual entre la relatividad general y la mecánica cuántica en el sentido de que la mecánica cuántica considera el flujo del tiempo como universal y absoluto, mientras que la relatividad general considera el flujo del tiempo como maleable y relativo. [1] [2] Este problema plantea la cuestión de qué es realmente el tiempo en un sentido físico y si es realmente un fenómeno real y distinto. También involucra la pregunta relacionada de por qué el tiempo parece fluir en una sola dirección, a pesar del hecho de que ninguna ley física conocida a nivel microscópico parece requerir una sola dirección. [3] Para sistemas macroscópicos, elLa direccionalidad del tiempo está directamente relacionada con los primeros principios , como la Segunda ley de la termodinámica .
El tiempo en la mecánica cuántica
En la mecánica clásica , se asigna un estado especial al tiempo en el sentido de que se trata como un parámetro de fondo clásico, externo al sistema mismo. Este papel especial se ve en la formulación estándar de la mecánica cuántica. Se considera parte de un trasfondo clásico dado a priori con un valor bien definido. De hecho, el tratamiento clásico del tiempo está profundamente entrelazado con la interpretación de Copenhague de la mecánica cuántica y, por tanto, con los fundamentos conceptuales de la teoría cuántica: todas las medidas de observables se realizan en determinados instantes de tiempo y las probabilidades solo se asignan a tales medidas. .
La relatividad especial ha modificado la noción de tiempo. Pero desde el punto de vista de un observador de Lorentz fijo , el tiempo sigue siendo un parámetro global distinguido, absoluto, externo. La noción newtoniana de tiempo se traslada esencialmente a sistemas relativistas especiales, ocultos en la estructura del espacio-tiempo .
Anulación del tiempo absoluto en la relatividad general
Aunque clásicamente el espacio-tiempo parece ser un trasfondo absoluto, la relatividad general revela que el espacio-tiempo es realmente dinámico; la gravedad es una manifestación de la geometría del espacio-tiempo. La materia reacciona con el espacio-tiempo:
El espacio-tiempo le dice a la materia cómo moverse; la materia le dice al espacio-tiempo cómo curvarse.
- John Archibald Wheeler , Geons, Black Holes y Quantum Foam, pág. 235 [4]
Además, el espacio-tiempo puede interactuar consigo mismo (por ejemplo, ondas gravitacionales). La naturaleza dinámica del espacio-tiempo tiene una amplia gama de consecuencias.
La naturaleza dinámica del espacio-tiempo, a través del argumento del agujero , implica que la teoría es invariante en difeomorfismo . Las restricciones son la huella en la teoría canónica de la invariancia de difeomorfismo de la teoría de cuatro dimensiones. También contienen la dinámica de la teoría, ya que el hamiltoniano desaparece de forma idéntica. La teoría cuántica no tiene una dinámica explícita; las funciones de onda son aniquiladas por las restricciones y los observables de Dirac conmutan con las restricciones y, por lo tanto, son constantes de movimiento. Kuchar introduce la idea de "plantas perennes" y Rovelli la idea de "observables parciales". La expectativa es que en situaciones físicas algunas de las variables de la teoría jugarán el papel de un "tiempo" con respecto al cual otras variables evolucionarían y definirían dinámicas de manera relacional. Esto encuentra dificultades y es una versión del "problema del tiempo" en la cuantificación canónica. [5]
Soluciones propuestas al problema del tiempo
El concepto cuántico de tiempo surgió por primera vez de las primeras investigaciones sobre la gravedad cuántica, en particular del trabajo de Bryce DeWitt en la década de 1960: [6]
"Otras veces son sólo casos especiales de otros universos".
En otras palabras, el tiempo es un fenómeno de enredo , que coloca todas las lecturas de reloj iguales (de relojes correctamente preparados o de cualquier objeto que se pueda usar como relojes) en la misma historia. Esto fue entendido por primera vez por los físicos Don Page y William Wootters en 1983. [7] Hicieron una propuesta para abordar el problema del tiempo en sistemas como la relatividad general llamada interpretación de probabilidades condicionales. [8] Consiste en promover todas las variables a operadores cuánticos, uno de ellos como reloj, y hacer preguntas de probabilidad condicional con respecto a otras variables. Llegaron a una solución basada en el fenómeno cuántico del entrelazamiento. Page y Wootters mostraron cómo se puede utilizar el entrelazamiento cuántico para medir el tiempo. [9]
En 2013, en el Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (INRIM) en Turín, Italia, Ekaterina Moreva, junto con Giorgio Brida, Marco Gramegna, Vittorio Giovannetti, Lorenzo Maccone y Marco Genovese realizaron la primera prueba experimental de las ideas de Page y Wootters. Confirmaron que el tiempo es un fenómeno emergente para los observadores internos pero ausente para los observadores externos del universo, tal como predice la ecuación de Wheeler-DeWitt . [10] [11] [12]
El enfoque de discretizaciones consistentes desarrollado por Jorge Pullin y Rodolfo Gambini no tiene restricciones. Estas son técnicas de aproximación de celosía para la gravedad cuántica. En el enfoque canónico, si uno discretiza las restricciones y ecuaciones de movimiento, las ecuaciones discretas resultantes son inconsistentes: no pueden resolverse simultáneamente. Para abordar este problema se utiliza una técnica basada en discretizar la acción de la teoría y trabajar con las ecuaciones discretas de movimiento. Se garantiza automáticamente que estos sean consistentes. La mayoría de las cuestiones conceptuales difíciles de la gravedad cuántica están relacionadas con la presencia de restricciones en la teoría. Las teorías discretizadas consistentes están libres de estos problemas conceptuales y pueden cuantificarse directamente, proporcionando una solución al problema del tiempo. Es un poco más sutil que esto. Aunque sin restricciones y teniendo "evolución general", este último es solo en términos de un parámetro discreto que no es físicamente accesible. La salida se aborda de manera similar al enfoque de Page-Wooters. La idea es elegir una de las variables físicas para que sea un reloj y hacer preguntas relacionales. Estas ideas en las que el reloj también es mecánico cuántico han llevado a una nueva interpretación de la mecánica cuántica: la interpretación de Montevideo de la mecánica cuántica. [13] [14] Esta nueva interpretación resuelve los problemas del uso de la decoherencia ambiental como solución al problema de la medición en mecánica cuántica invocando limitaciones fundamentales, debidas a la naturaleza mecánica cuántica de los relojes, en el proceso de medición en cuántica. mecánica. Estas limitaciones son muy naturales en el contexto de teorías generalmente covariantes como la gravedad cuántica, donde el reloj debe tomarse como uno de los grados de libertad del propio sistema. También han presentado esta decoherencia fundamental como una forma de resolver la paradoja de la información de los agujeros negros . [15] [16] En determinadas circunstancias, se utiliza un campo de materia para desparametrizar la teoría e introducir un hamiltoniano físico. Esto genera una evolución del tiempo físico, no una limitación.
Las limitaciones de cuantificación del espacio de fase reducido se resuelven primero y luego se cuantifican. Este enfoque se consideró imposible durante algún tiempo, ya que parece requerir primero encontrar la solución general a las ecuaciones de Einstein. Sin embargo, con el uso de ideas involucradas en el esquema de aproximación de Dittrich (construido sobre las ideas de Rovelli) se hizo viable una forma de implementar explícitamente, al menos en principio, una cuantificación de espacio de fase reducida. [17]
Avshalom Elitzur y Shahar Dolev argumentan que los experimentos de mecánica cuántica como el Quantum Liar [18] proporcionan evidencia de historias inconsistentes, y que el espacio-tiempo en sí mismo puede estar sujeto a cambios que afecten a historias enteras. [19] Elitzur y Dolev también creen que un paso objetivo del tiempo y la relatividad pueden reconciliarse, y que resolvería muchos de los problemas con el universo de bloques y el conflicto entre la relatividad y la mecánica cuántica. [20]
Una solución al problema del tiempo propuesta por Lee Smolin es que existe un "presente denso" de eventos, en el que dos eventos en el presente pueden estar relacionados causalmente entre sí, pero en contraste con la visión del tiempo del universo de bloques en la que todo el tiempo existe eternamente . [21] Marina Cortês y Lee Smolin argumentan que ciertas clases de sistemas dinámicos discretos demuestran asimetría e irreversibilidad en el tiempo, lo que es consistente con un paso del tiempo objetivo. [22]
Tiempo de Weyl en gravedad cuántica invariante en escala
Motivados por la ambigüedad de Immirzi en la gravedad cuántica de bucles y la invariancia casi conforme del modelo estándar de partículas elementales, [23] Charles Wang y sus colaboradores han argumentado que el problema del tiempo puede estar relacionado con una invariancia de escala subyacente de la gravedad-materia. sistemas. [24] [25] [26] También se ha propuesto la invariancia de escala para resolver el problema de jerarquía de los acoplamientos fundamentales. [27] Como una simetría continua global, la invariancia de escala genera una corriente de Weyl conversada [24] [25] de acuerdo con el teorema de Noether . En modelos cosmológicos invariantes de escala, esta corriente de Weyl da lugar naturalmente a un tiempo armónico. [28] En el contexto de la gravedad cuántica de bucles, Charles Wang et al sugieren que la invariancia de escala puede conducir a la existencia de un tiempo cuantificado. [24]
La hipótesis del tiempo térmico
Generalmente las teorías covariantes no tienen la noción de un tiempo físico distinguido con respecto al cual todo evoluciona. Sin embargo, no es necesario para la formulación e interpretación completas de la teoría. Las leyes dinámicas están determinadas por correlaciones que son suficientes para hacer predicciones. Pero entonces se necesita un mecanismo que explique cómo la noción familiar de tiempo eventualmente emerge de la estructura atemporal para convertirse en un ingrediente tan importante del mundo macroscópico en el que vivimos, así como de nuestra experiencia consciente.
La hipótesis del tiempo térmico ha sido propuesta como una posible solución a este problema por Carlo Rovelli y Alain Connes , tanto en la teoría clásica como en la cuántica. Postula que el flujo del tiempo físico no es una propiedad fundamental dada a priori de la teoría, sino una característica macroscópica de origen termodinámico. [29]
Referencias
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Otras lecturas
- El orden del tiempo de Carlo Rovelli
- Time Reborn de Lee Smolin
- El universo singular y la realidad del tiempo por Lee Smolin y Roberto Mangabeira Unger