El tiempo podría ser una ilusión

El estudio de la naturaleza del tiempo siempre ha fascinado y desconcertado a los científicos. El hecho de intentar comprenderlo les ha llevado a conclusiones que, cuanto menos, son extrañas. Uno de los estudios, dirigido por Alessandro Coppo, físico del Consiglio Nazionale delle Ricerche, en Italia, intenta explicar que el tiempo podría ser una ilusión creada a nivel cuántico. Bajo esa premisa, el tiempo dejaría de ser un elemento fundamental del universo para concebirse como una ilusión que surge del entrelazamiento cuántico.

El entrelazamiento cuántico es un aspecto de la cuántica que rompe con las mecánicas clásicas y relativistas. Establece que cuando dos partículas quedan conectadas, el estado de una afecta a la otra de manera instantánea, independientemente de la distancia que estén separadas. Bajo esa premisa, el estudio defiende que del entrelazamiento cuántico podría podría surgir el tiempo.

A pesar de todo, el estudio del tiempo llega a conclusiones incompatibles, dependiendo del punto de vista desde el que se analice. Es por eso que su comprensión a nivel de magnitud física es un problema peliagudo para los físicos. Tiene un comportamiento que se muestra inconsistente. Siempre deriva en un punto muerto impidiendo la formulación de la tan buscada Teoría del Todo que explique toda la física del universo.

¿Por qué el tiempo es inconsistente en la física?

La afirmación de que el tiempo es inconsistente no es gratuita. Para sustentarlo se ha de recurrir a la relatividad general y a la mecánica cuántica. Para la relatividad general, formulada por Albert Einstein en 1915, el tiempo se define como una dimensión flexible. Es decir, puede dilatarse o contraerse dependiendo de un campo gravitatorio o de la velocidad. Para la mecánica cuántica, introducida por Max Planck en 1900, el tiempo es un parámetro absoluto que no experimenta ningún tipo de deformación. Se supone que la Teoría del Todo debe abrazar tanto la relatividad general como la mecánica cuántica y si cada una de ellas define el tiempo de una forma tan diferente, imposibilita la formulación de tal teoría.

Una solución de compatibilidad

Volviendo al estudio que hipotetiza que el tiempo podría ser una ilusión, los investigadores sugieren una solución. En ella, logran que el tiempo sea compatible al mismo tiempo con la teoría de la relatividad general y con la mecánica cuántica.

A nivel microscópico, es decir, en el mundo cuántico, el tiempo permanece impasible frente a cualquier fenómeno. Siempre, sin excepción, se desplaza de manera constante siguiendo el sentido pasado –> presente –> futuro. Sería, de un modo sencillo, como el transcurrir del las agujas de un reloj: siempre hacia adelante y al mismo ritmo. A nivel macroscópico, donde la teoría de la relatividad tiene efectos apreciables, el tiempo se muestra enlazado con el espacio formando el tejido espacio-tiempo. De este modo, las deformaciones que provocan grandes cantidades de materia o grandes velocidades afectan tanto al espacio como al transcurso del tiempo.

Para resolver esta inconsistencia, el grupo de investigadores que participó en la investigación recurrieron al mecanismo de Page y Wootters, propuesto en 1983 por Don Page y William Wootters.

El origen de la ilusión: el mecanismo de Page y Wootters

Para explicar este mecanismo, se parte de la mecánica cuántica convencional, donde un sistema aislado puede encontrarse en un estado estacionario, sin evolución temporal. Es decir, dentro de este marco, el tiempo no transcurre de manera inherente para el sistema en su totalidad. Page y Wootters propusieron dividir un sistema cuántico en dos partes: un subsistema reloj y el resto del universo. El entrelazamiento cuántico entre estos dos subsistemas podría generar la percepción del tiempo.

Esto ocurre porque, cuando un observador utiliza el subsistema reloj como referencia, percibe que el otro subsistema evoluciona en el tiempo de manera normal. De esta forma, dentro de un marco cuántico, el tiempo se entiende como algo relativo a la medición del subsistema reloj. En consecuencia, si el sistema no es medido, no hay evolución temporal observable.

Bajo esta hipótesis, el mecanismo de Page y Wootters sugiere que el tiempo no es una entidad fundamental, sino una propiedad emergente dentro de sistemas entrelazados. Esta idea está en línea con la búsqueda de una teoría cuántica de la gravedad, donde el tiempo podría ser una ilusión derivada de las interacciones cuánticas en lugar de un concepto absoluto.

Llegando a la conclusión de la ilusión del tiempo

El equipo de Coppo aplicó el mecanismo de Page y Wootters a dos estados cuánticos teóricos. Uno consistía en un oscilador armónico vibrante y el otro en un conjunto de imanes diminutos. El grupo de investigadores observó que si no interactúan los dos subsistemas, el sistema global podría describirse perfectamente mediante la ecuación de Schrödinger. Esto implica que el tiempo aparece en la ecuación sin modificación. Pero cuando existe interacción entre los subsistemas, se reformula la ecuación. Ahí es cuando el tiempo convencional desaparece. En su lugar se manifiesta la evolución relativa entre los dos subsistemas donde los estados de los imanes actúan como referencia temporal.

¿Qué explica la ecuación de Schrödinger?

La ecuación de Schrödinger es una de las ecuaciones fundamentales de la mecánica cuántica. Describe cómo cambia el estado físico del sistema con el paso del tiempo. En cierto modo, hay cierta equivalencia con la segunda ley de Newton de la mecánica clásica (F = m·a). Una de las grandes diferencias es que en la de Schrödinger, en lugar de predecir trayectorias exactas, describe la evolución de la función de onda, que es quien contiene toda la información del sistema cuántico ya sea una partícula o un conjunto de ellas. Esto permite calcular la probabilidad de encontrar una partícula en una determinada posición o estado en el futuro en base a su estado actual. Pero en lugar de dar como resultado la posición o el estado, ofrece una distribución de posibilidades.

La conclusión establece que en el mundo cuántico, las partículas no tienen posiciones o velocidades definidas hasta que son medidas. Por otro lado, existen en una superposición de estados hasta que interactúan con el entorno. Es decir, mientras no son medidas, se dan a la vez todas las posibilidades. Ejemplos de esto son la dualidad onda-partícula o el experimento mental del gato de Schrödinger.

La conclusión de la ilusión del tiempo: el novedoso experimento de Coppo y su equipo

Como ya se ha visto, la primera parte de lo propuesto por el equipo de Coppo viene dado por el mecanismo de Page y Wootters. Sin embargo, la segunda parte del experimento sí que es novedosa. Para esta segunda parte, hicieron el experimento bajo dos condiciones diferentes.

Condiciones #1

Coppo y su equipo supusieron que el reloj magnético y el oscilador armónico eran objetos macroscópicos. Es decir, no se deberían de ver afectados por la mecánica cuántica pero sí por las mecánicas clásica y relativista. Al llevar a cabo el experimento, las ecuaciones se simplificaron, derivando en expresiones propias de la mecánica clásica. A pesar de ello, observaron que el tiempo seguía apareciendo como consecuencia del entrelazamiento cuántico. Así, se mostró una dependencia del mundo macroscópico con el mundo cuántico.

Condiciones #2

Bajo estas condiciones se supuso que el reloj magnético y el oscilador armónico no tienen por qué ser objetos macroscópios. Podrían serlo o no, no excluyendo por tanto la aplicación de la mecánica cuántica. En este caso, al aplicar el mecanismo de Page y Wootters, vieron que el tiempo convencional desaparece de la ecuación de Schrödinger. En este caso es reemplazado por la evolución relativa entre los subsistemas, con el reloj magnético actuando como referencia temporal.

¿Qué ocurre con el tiempo en ambos casos?

Bajo estos condicionantes, una de las conclusiones es que existe una dependencia entre los mundos macroscópico y el cuántico. Esto se debe a que en el primer caso, los experimentos mostraron que el entrelazamiento cuántico seguía influyendo en la evolución temporal de objetos macroscópicos. En este escenario, el estado de los imanes determina la evolución del tiempo.

Otra de las conclusiones es que el tiempo convencional desaparece en sistemas cuánticos. Es decir, al aplicar el mecanismo de Page y Wootters a un sistema microscópico, el tiempo deja de aparecer explícitamente en la ecuación de Schrödinger. En su lugar, la evolución temporal se define de manera relativa entre los subsistemas, con el reloj magnético actuando como referencia. Así, el tiempo deja de ser absoluto y pasa a depender de la relación entre los sistemas.

Entonces, ¿es el tiempo una ilusión?

«Creemos firmemente que la dirección correcta y lógica es empezar desde la física cuántica y entender cómo llegar a la física clásica, no al revés», afirma Coppo. Por otra parte, otros físicos se mostraron cautelosos ante estos experimentos, aunque es cierto que encontraron fascinante el uso del mecanismo de Page y Wootters para explicar el origen cuántico del tiempo.

Los resultados sugieren que el tiempo, en lugar de ser una entidad fundamental, podría ser una propiedad emergente derivada de la relación entre los sistemas. En el nivel cuántico, donde el tiempo desaparece de las ecuaciones fundamentales, su existencia parece depender exclusivamente de la forma en que los subsistemas interactúan y se entrelazan. Esto plantea la posibilidad de que el tiempo, tal como se percibe en nuestra realidad macroscópica, sea una construcción emergente y no una característica intrínseca del universo, reforzando la idea de que podría ser, en última instancia, una ilusión.

Artículos científicos relacionados

Coppo, A., Coccoli, A., Verrucchi, P. (2024). Magnetic clock for a harmonic oscillator. Physical Review Journals, 109, 052212. DOI: 10.1103/PhysRevA.109.052212 (Ver).

Referencias

• Time might be a mirage created by quantum physics, study suggests. LiveScience (Ver).