Física del Viaje en el Tiempo

Abstract

El viaje en el tiempo ha sido durante mucho tiempo una fascinación para los seres humanos, ofreciendo la posibilidad de corregir errores del pasado o explorar nuevos mundos y oportunidades en el futuro. Esta atracción ha sido utilizada por escritores para hacer sus historias únicas, mientras que los científicos han hecho esfuerzos considerables para encontrar una descripción precisa y confiable del tiempo mismo. Hoy en día, podemos medir el tiempo con gran precisión mediante el uso de las oscilaciones de la onda emitida por un átomo de cesio 133 durante una transición particular: un segundo se define como la cantidad de tiempo que tarda en producirse 9.192.631.770 oscilaciones.

potencialmente podríamos cambiar los relojes atómicos por relojes ópticos. Los relojes ópticos son más precisos y solo pueden perder hasta 100 segundos en un período de tiempo equivalente a la edad del universo. Esta mayor precisión nos permitiría comprender completamente muchos fenómenos, incluida la materia oscura y los elementos más básicos de la teoría que describe el espacio-tiempo: la teoría de la relatividad general.

Albert Einstein presentó la Teoría de la Relatividad en 1905, revolucionando nuestra comprensión del espacio, el tiempo y la gravedad. Según la teoría de Einstein, el espacio y el tiempo forman un continuo de cuatro dimensiones que se curva por la presencia de la materia. Los objetos en movimiento siguen la curvatura del espacio. En este espacio-tiempo, como lo expresa Einstein, “la distinción entre antes y después debe ser abandonada para puntos que están muy lejos en un sentido cosmológico, aunque esto da lugar a aquellas paradojas que conciernen a la dirección de la conexión causal.”

Gracias a la constancia de la velocidad de la luz, independientemente del sistema de referencia inercial desde el cual se observa, deducimos que el espacio y el tiempo deben ser redefinidos. Las descripciones del espacio y el tiempo revelan que el tiempo puede dilatarse y el espacio puede contraerse en diferentes sistemas de referencia. Al tener en cuenta los efectos de la gravedad sobre la forma del espacio-tiempo, surgen soluciones interesantes a las ecuaciones de Einstein que sugieren que el viaje en el tiempo, especialmente hacia el pasado, podría ser posible, al menos en teoría.

En términos simples, el viaje en el tiempo está estrechamente relacionado con la velocidad (específicamente la velocidad de la luz) y la gravedad.

Desde que Einstein formuló su teoría de la relatividad, hemos analizado a fondo sus ecuaciones. Las consecuencias y predicciones de esta teoría son revolucionarias, a veces impactantes y tan extravagantes que incluso Einstein mismo dudaba seriamente de que pudieran ser verdaderas y físicamente verificables en nuestra realidad.

A pesar de esto, la evidencia experimental ha confirmado algunas de las predicciones más extrañas de la relatividad general, a saber, los agujeros negros y las ondas gravitacionales. Los agujeros negros, en particular, serían un ingrediente fundamental para cualquiera que desee hacer un viaje en el tiempo.

Como se ve en la película Interstellar, podríamos estacionarnos cerca de un agujero negro y, lejos de su alcance, el tiempo fluiría a una velocidad mucho mayor. Después de regresar a una distancia segura del horizonte de eventos, podríamos volver a la Tierra donde habrían pasado varios años. Por ejemplo, un agujero negro de 10.000 masas solares tendría un radio de Schwarzschild de 30.000 km. Si estamos a una distancia de 3 mm del horizonte de eventos, 1 segundo para nosotros correspondería a 28 horas en la Tierra. Pero a medida que nos acercamos a la fracción más pequeña de un milímetro del horizonte de eventos, el tiempo se ralentiza hasta que se acerca a la dilatación del tiempo infinito.

Otra forma de viajar al futuro es considerar la relación entre el tiempo y la velocidad. En pocas palabras, cuanto más rápido nos movamos en el espacio, más lento será nuestro tiempo. Para observar una dilatación del tiempo significativa, debemos viajar a velocidades muy cercanas a la velocidad de la luz.

Hagamos una estimación rápida. Si una nave espacial viaja a una velocidad igual al 99,99% de la velocidad de la luz durante un año, volvería a un mundo que habría envejecido unos 80 años en su ausencia. Si la velocidad se aumenta al 99,99999% de la velocidad de la luz, más de 2000 años pasarían en la Tierra en solo un año.

Bueno, dadas estas circunstancias, ¿no diría usted que un agujero negro es una solución más práctica para el viaje en el tiempo hacia el futuro?

Como hemos visto, el viaje en el tiempo hacia el futuro es completamente posible y aceptado por la comunidad científica. Según Michio Kaku, “Hay muchos experimentos que demuestran la posibilidad de viajar al futuro. De hecho, los únicos problemas son de naturaleza técnica. Todavía no somos capaces de construir naves espaciales capaces de alcanzar las velocidades necesarias”.

Sin embargo, viajar al pasado es un asunto mucho más complicado. La física nos dice que las máquinas del tiempo capaces de llevarnos de vuelta al pasado todavía no pueden ser inventadas.

¿Qué soluciones han propuesto los físicos para permitir los viajes en el tiempo?

En la Relatividad General, existen curvas cerradas de tipo tiempo. Son líneas del mundo que forman bucles cerrados, lo que implica que el objeto representado por ellas, al continuar viajando hacia el futuro, regresa al punto desde el cual la línea del mundo comenzó, tanto en el espacio como en el tiempo. Estas trayectorias permitirían los viajes en el tiempo, pero el primer problema con ellas es que al viajar al pasado a lo largo de una curva cerrada de tipo tiempo, llegaríamos antes del momento en que partimos.

Entre las diversas discusiones avanzadas por los físicos, destacan las siguientes soluciones a las ecuaciones de la relatividad general:

– El puente de una sola dirección de Einstein-Rosen, ahora conocido como Agujero de Gusano.
– La solución de Gödel, que requiere un universo en rotación como ingrediente.
– La variante de Tipler de la solución de Gödel, que utiliza un cilindro en rotación de longitud infinita en lugar de un universo en rotación.
– El agujero de gusano de espacio-tiempo bidireccional de Kip Thorne

Parece que el ingrediente fundamental para los viajes en el tiempo (es decir, en una trayectoria cerrada de tipo tiempo) es superar la velocidad de la luz, lo cual parece imposible según las leyes de la física. Sin embargo, algunos físicos han intentado desarrollar estrategias teóricas para engañar a la naturaleza y, por lo tanto, superar la velocidad de la luz.

Un ejemplo es el motor de curvatura, que menciono por su encanto. El motor de curvatura es un motor que permitiría la manipulación del espacio-tiempo, curvándolo de una manera particular, es decir, contrayéndolo delante de la nave y expandiéndolo detrás de ella. De esta manera, sería posible moverse a velocidades superlumínicas incluso sin moverse. Desafortunadamente, este método solo sería útil para moverse extremadamente rápido en el espacio-tiempo, pero no sería de ninguna ayuda en los viajes en el tiempo. Para viajar en una curva cerrada de tipo tiempo, la nave tendría que ser acelerada y viajar a velocidades superlumínicas, lo cual no es posible.

Otra estrategia sería utilizar un agujero de gusano, una especie de atajo entre dos puntos en el espacio-tiempo. En este caso, tampoco estaríamos viajando realmente a la velocidad de la luz, pero aún podríamos cubrir distancias extremadamente distantes en el espacio-tiempo en un abrir y cerrar de ojos.

Además, a diferencia del motor de curvatura, los agujeros de gusano permitirían viajar en el tiempo al pasado. Veamos cómo.

Según la Relatividad General, el espacio-tiempo puede tener algunas propiedades peculiares, como la capacidad de rasgarse (formar agujeros o crear túneles). Estos túneles se llaman agujeros de gusano, y si existen y funcionan, nos permitirían viajar de un punto a otro en el espacio-tiempo.

Los agujeros de gusano podrían ser útiles como máquinas del tiempo porque permitirían viajar a puntos en el espacio, el tiempo o ambos. Sin embargo, dado que aún no se han observado, siguen siendo hipotéticos y especulativos por el momento.

El término agujero de gusano proviene de una analogía visual. Imagina un gusano en una manzana que representa el universo. Si el gusano quisiera viajar desde el punto A hasta el punto B, podría moverse en la superficie o excavar un agujero, acortando la distancia. El agujero representa el túnel del espacio-tiempo, también llamado puente de Einstein-Rosen.

Los agujeros de gusano pueden clasificarse de diferentes maneras, pero para fines de esta discusión, nos centraremos en dos tipos:

– Túneles espacio-tiempo intrauniverso, que conectan diferentes posiciones dentro del mismo universo. Un túnel gravitatorio podría teóricamente conectar puntos distantes en el universo a través de deformaciones del espacio-tiempo, permitiendo un viaje más rápido que uno normal.
– Túneles espacio-tiempo interuniversos, o agujeros de gusano de Schwarzschild, que conectan un universo con otro. Dichos túneles podrían utilizarse potencialmente para viajes interdimensionales o en el tiempo. En este último caso, el agujero de gusano permitiría viajar instantáneamente entre diferentes puntos del espacio-tiempo.

Los agujeros de gusano son prometedores tanto para el turismo interestelar como temporal, pero hay un problema. Para entrar en un agujero de gusano, uno tendría que entrar en un agujero negro y usar su centro como “portal”, lo que probablemente sería fatal.

Además, parece ser un viaje de ida, ya que para salir de un agujero negro, uno tendría que superar la velocidad de la luz. Sin embargo, el físico Kip Thorne, uno de los principales expertos mundiales en Relatividad General que trabajó en el proyecto Interstellar, cree que se pueden construir agujeros de gusano artificiales.

En 1988, Kip Thorne propuso un modelo para un agujero de gusano de doble lado que permite viajar fácilmente de ida y vuelta. Este modelo es el más prometedor, ya que dejaría a los viajeros ilesos. Sin embargo, su uso requeriría masa o energía negativa para mantener abierta la entrada del agujero de gusano. La fuerza repulsiva de la masa negativa evitaría que la gravedad devastara la entrada y a los viajeros.

Producir un agujero de gusano del tamaño humano requeriría una cantidad impresionante de energía positiva y negativa. Para un agujero de gusano de un metro, la masa negativa debería ser equivalente a la masa de Júpiter.

Para hacer factible esta idea, necesitaríamos resolver el problema de la inestabilidad de los agujeros de gusano y encontrar una manera de escapar de la radiación generada por los túneles y dentro del agujero negro.

Incluso si pudiéramos lograr esto, el viaje en el tiempo seguiría siendo extremadamente peligroso y costoso en términos de energía. Para túneles más grandes, la energía necesaria sería equivalente a la de una estrella o un agujero negro.

Es importante reconocer la contribución de Kurt Godel, amigo de Einstein y “el más grande desde Aristóteles”, al campo de la lógica.

Godel fue la primera persona en encontrar soluciones a las ecuaciones de Einstein sobre la posibilidad de viajar en el tiempo, lo que perturbó enormemente al propio Einstein.

Simuló un universo alternativo que giraba y podía completar una revolución completa cada setenta mil millones de años. En este universo, el tiempo sería cíclico y la fuerza centrífuga evitaría el colapso gravitacional. La rotación era crucial para hacer que el tiempo fuera cíclico. Godel creía que este universo actuaría como la mejor máquina del tiempo, permitiendo a un viajero espacial hipotético viajar a su propio pasado (tendrían que moverse a la velocidad de la luz y viajar increíblemente lejos).

Desafortunadamente, la evidencia actual sugiere que la rotación neta de nuestro universo es cero.

Sin embargo, el físico Tipler propuso una variación de la teoría de Godel, que eliminó la complicación de un universo cerrado y rotativo y en su lugar utilizó un cilindro rotativo dentro del universo. Según la teoría de Tipler, este cilindro podría arrastrar el continuo espacio-tiempo, proporcionando acceso al pasado más allá de ciertas velocidades de rotación. El único problema era que el cilindro tendría que ser infinitamente largo para funcionar. Para solucionar este problema, Tipler hipotetizó un cilindro finito, pero esto requeriría una rotación aún más rápida.

Más allá de los problemas técnicos que impiden el viaje en el tiempo, debemos considerar también cuestiones éticas y legislativas. Por ejemplo, imaginemos la posibilidad de robo o asesinato en el espacio-tiempo contra alguien que aún no ha nacido. También existen paradojas, como la paradoja del abuelo, en la que ir hacia atrás en el tiempo y matar a nuestro propio abuelo evitaría nuestra propia existencia. La posibilidad de interactuar con el pasado y alterar el futuro llevaría a otras discusiones especulativas. La solución más simple y prometedora a la paradoja del abuelo es la del universo paralelo, favorecida por la teoría cuántica. Sin ella, tendríamos que rendirnos a la idea de que 1) viajar al pasado y alterarlo es algo que ya está previsto, haciendo que el bucle en sí mismo sea posible e inalterable. 2) Viajar al pasado es posible para nosotros, pero las alteraciones no estarían permitidas, excepto en su forma más mínima. Sería como si los guardianes del tiempo vinieran a controlarnos y evitarnos hacer tonterías.

Hasta la fecha, parece que el guardián cósmico que nos impide hacer tonterías es interpretado por la segunda ley de la termodinámica, que no aprueba el viaje en el tiempo en absoluto.

Se afirma que la entropía de un sistema aislado puede aumentar con el tiempo, pero no puede disminuir.

Sin embargo, esto no siempre es cierto. Hay excepciones y, como era de esperar, podemos encontrarlas en el mundo de la mecánica cuántica. Aquí, existen sistemas para los cuales el tiempo puede avanzar y retroceder simultáneamente. Como siempre, la mecánica cuántica nos ofrece una realidad alternativa extremadamente imaginativa y compleja donde ocurre la superposición cuántica. Así, la ocurrencia de una evolución temporal no excluye la otra porque ambas ocurren en un estado de superposición. Este es un modelo teórico que ha sido demostrado experimentalmente en múltiples plataformas. Muchos físicos discuten una posible inexactitud de la mecánica cuántica, de lo contrario, tendríamos que cuestionar una vez más el concepto de tiempo, como Einstein hizo hace cerca de un siglo.

Mientras que algunos físicos cuestionan la corrección de la mecánica cuántica, este modelo teórico puede ser un elemento clave para entender el viaje en el tiempo y los agujeros negros, si se puede combinar con la Relatividad General a través de una futura teoría del todo.

No importa qué camino tomemos, estamos seguros de descubrir una física nueva y emocionante.