Procesos irreversibles

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Los físicos partidarios de considerar la flecha del tiempo como una ilusión tienen un problema: no toda la física es compatible con un tiempo reversible, como parecen indicar las ecuaciones y teorías mencionadas en un artículo anterior de este blog. Desde mediado el siglo XIX se conoce el segundo principio de la termodinámica, que se remonta a 1850, cuando Clausius introdujo el concepto de entropía y se constató que el valor de esta magnitud física aumenta siempre, si se mide en un sistema aislado que no intercambia materia ni energía con el exterior. Dado que el universo lo es, disponemos al menos de una magnitud física que permite señalar inequívocamente la dirección del flujo del tiempo.

Conscientes de este problema, los físicos partidarios de la reversibilidad del tiempo han respondido de distintas maneras: se ha dicho que el segundo principio de la termodinámica es una ley ficticia, subjetiva, que no se ajusta a la realidad; una ilusión mental; una aproximación; un efecto de las condiciones iniciales del universo. Se ha formulado la hipótesis de que, si el universo fuese cíclico, la flecha del tiempo podría invertirse durante la etapa de contracción. (Esta teoría ha sido abandonada). Para escapar del problema, Stephen Hawking propuso un universo sin condiciones iniciales en su Breve Historia del Tiempo. Es curioso ese deseo de defender a toda costa la reversibilidad temporal, puesto que fue Hawking precisamente quien propuso la existencia de una flecha del tiempo en los agujeros negros, que en lugar de ser permanentes podrían desintegrarse.

En 1928, un año después de proponer el término la flecha del tiempo, Arthur Eddington desafió a los físicos que adoptan estas posturas con las siguientes demoledoras palabras: Si tu teoría se opone al 2º Principio de la Termodinámica… la espera el colapso en la más profunda humillación (The Nature of the Physcal World, 1928).

Este dilema tiene un nombre, que le impuso en 1876 Johann Joseph Loschmidt: la paradoja de la irreversibilidad, que puede describirse así:

·         De acuerdo con las leyes de la mecánica que conocemos, no parece existir flecha del tiempo en el mundo microscópico. Si aceptamos la hipótesis reduccionista, esto debería asegurar que tampoco exista en el mundo macroscópico.

·         Pero de acuerdo con la experiencia y la experimentación termodinámica, sí existe flecha del tiempo en el mundo macroscópico.

·         En consecuencia, la mecánica y la termodinámica deben ser incompletas, pues llegan a conclusiones incompatibles.

Como dijo Alfred North Whitehead, un  choque de doctrinas no es un desastre, es una oportunidad (Science and the Modern World, 1967).

¿Son realmente reversibles las leyes de la mecánica y del mundo microscópico, como dicen los que niegan la existencia de la flecha del tiempo? La cosa no está tan clara. Veamos:

1.      La mecánica de Newton no sólo explica los movimientos de los cuerpos celestes, también fenómenos mucho más próximos, como la caída de una manzana, en los que la irreversibilidad es evidente. Imaginemos que nos proyectan una película en la que se observan varios pedazos de manzana sobre el suelo, que de pronto se ponen en movimiento y se reúnen en el mismo punto, formando una pieza de fruta que se lanza hacia arriba, hasta quedar sujeta a la rama de un árbol. ¿Tendríamos alguna dificultad en detectar que la dirección del tiempo ha sido invertida al proyectar los fotogramas? No, porque en este ejemplo no sólo interviene la mecánica de Newton (que explica el movimiento de caída de la manzana), sino también el segundo principio de la termodinámica, que nos dice que el paso de un estado desordenado (los pedazos de la manzana) a uno ordenado (la manzana suspendida de la rama del árbol) no puede surgir espontáneamente.

Incluso en los cuerpos celestes es posible detectar si la película de sus movimientos ha sido invertida. Imagínese una grabación de la órbita de Mercurio donde se distinga el sol. Estudiando el movimiento de las manchas solares (consecuencia de fenómenos termodinámicos) es posible averiguar si la imagen es correcta o ha sido invertida. Otra vez la interacción de mecánica y termodinámica convierte el tiempo en irreversible.

2.      Existen reacciones químicas reversibles, como la disolución de carbonato cálcico en agua carbonatada, que al tener lugar en sentido contrario es responsable de la aparición de las estalagmitas y estalactitas. Pero también las hay irreversibles, como la precipitación de sulfato de bario al mezclar dos soluciones de sulfato sódico y de cloruro de bario. También en este caso es sencillísimo detectar la dirección correcta en que ha de proyectarse una película.

También existen reacciones nucleares irreversibles, como la serie de desintegraciones del uranio-238 para dar plomo-206. La cadena inversa es tan improbable, que el análisis de la proporción de estas dos sustancias en la misma roca proporciona un medio de averiguar su edad.

3.      También la mecánica cuántica contiene indicios de que el tiempo es irreversible, como el problema de la medida: basta medir el estado de una partícula que está en una superposición de estados cuánticos, haciéndola colapsar en uno de ellos con cierta probabilidad. El fenómeno inverso, sin embargo, no se da nunca.

Otro indicio es la simetría CPT. Hasta ahora no se conoce ninguna violación de esta simetría, que consiste en cambiar simultáneamente el signo de la carga de una partícula, su paridad y la dirección del tiempo. Sin embargo, sí se ha detectado una violación de la simetría CP, la desintegración del kaón-0: en una de cada mil millones de desintegraciones, esta partícula se transforma en un pión positivo, un electrón y un antineutrino, mientras su desintegración normal da lugar a un pión negativo, un positrón y un neutrino. Si la simetría CPT es cierta, como se sospecha, la violación de la simetría CP implica que el tiempo es irreversible.

4.      Como señaló el biólogo Stephen Jay Gould (Wonderful life, 1989), la historia de la evolución de los seres vivos es asimétrica: mientras el número de especies crece, los tipos de organización decrecen. Habría, por tanto, una flecha del tiempo de la evolución (Time’s arrow, time’s cycle, 1988).

Roger Penrose

Finalmente, tampoco es cierto que todas las teorías cosmológicas modernas lleven a un tiempo reversible. El físico Roger Penrose lleva años tratando de encontrar una alternativa que unifique la gravitación, explicada hoy por la relatividad general de Einstein, con la mecánica cuántica. Su teoría cosmológica unificada, que aún no ha culminado satisfactoriamente, implicaría la existencia de una flecha del tiempo. Con sus propias palabras: La asimetría del tiempo es una característica necesaria de la unión cuanto-gravitatoria (The Road to Reality, 2004). Nuestra imagen de la realidad física, en relación con la naturaleza del tiempo, necesita una sacudida mayor, quizá, que las que provocaron la relatividad y la mecánica cuántica (The Emperor’s New Mind, 1989).

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Manuel Alfonseca