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martes, 23 de junio de 2020

La física hoy en los viajes temporales - Gustavo Alfredo Arciniega Durán

8.4
La física hoy en los viajes temporales.
Viajes a través del espacio y el tiempo.





Pero lo que realmente quiero saber es… ¿quién ha estado jugando con las estrellas? Están todas en sitios equivocados para esta zona horaria, de cualquier manera. Sé que no viajé en el tiempo para llegar aquí. Puedo SENTIR el viaje en el tiempo. Si no lo supiera bien, diría que he viajado 7,000 años en el futuro. Pero lo sé bien. Así que, ¿quién ha movido las estrellas?
Dr. Who, episodio 11, temporada 9.


El 28 de junio de 2009, al mediodía, el profesor de la Universidad de Cambridge, Stephen Hawking, dio por iniciada la fiesta para los viajeros del tiempo. Al cabo de un rato, decidió terminar la fiesta y, posteriormente, enviar las invitaciones, que decían: “Está cordialmente invitado a un evento para Viajeros de Tiempo. Anfitrión: Profesor Stephen Hawking. Se llevará a cabo en la Universidad de Cambridge, Colegio Gonville y Caius, Calle Trinity, Cambridge. Lugar: 52° 12’ 21’’ N, 0° 7’ 4.7’’ E. Hora: 12:00 UT 06/28/2009. No es necesario confirmar.” Nadie se presentó [1]. Para Hawking y otros, es una confirmación de que no existen ni los viajeros ni las máquinas del tiempo que viajen al pasado. Algunos más han mencionado que tal vez sí asistieron pero, para no afectar los eventos históricos, decidieron no entrar y mirarlo desde una prudente distancia, sonriendo. Entre los primeros podemos contar a Arthur C. Clarke, quien menciona: “El argumento más convincente contra los viajes temporales es la notable escasez de viajeros del tiempo.” [2] Entre los segundos, al filósofo Roy Sorensen, quien rebate: “Claramente, el viajero del tiempo no puede persuadir a una persona razonable al decirle <Soy un viajero del tiempo>.” [3]
Desde la formulación de la Teoría de la Relatividad de Albert Einstein [4], en 1905, se sabe que el tiempo y el espacio están unidos de una manera mucho más íntima que la esperada por la física de Newton. En palabras de Carl Sagan: “El espacio y el tiempo están conectados. Podemos viajar rápido en el espacio únicamente viajando rápido en el futuro. Pero, ¿y el pasado?, ¿podemos viajar hacia el pasado y cambiarlo?”, se pregunta Sagan [5].
Han pasado más de 100 años desde el nacimiento de la Relatividad de Einstein y, aunque tenemos algunas pistas, realmente no tenemos una respuesta clara al respecto. Como menciona el Profesor Gary T. Horowitz, de la Universidad de California en Santa Bárbara, ante la pregunta de si es posible a un humano viajar a través del tiempo: “No ha sido descartado por nuestras actuales leyes naturales. Investigaciones recientes han dado cierta evidencia de que la respuesta es no, pero aún no ha sido demostrado que sea imposible.” [6]
El primer trabajo científico que habló de la posibilidad de viajes en el tiempo fue realizado por el filósofo y matemático Kurt Gödel en 1949, amigo cercano de Einstein, quien presentó un modelo de universo, dentro de la Teoría de Relatividad General, para celebrar los 70 años de vida de su amigo [7]. El modelo presentaba dos características extrañas: giraba sobre sí mismo y el tiempo era cíclico. El comportamiento del tiempo en el modelo de Gödel es similar a la noción de tiempo de antiguas civilizaciones como los Mayas, donde el tiempo se repite, similar a la visión de los Mapuche en Argentina, quienes dicen que el pasado está enfrente y el futuro a sus espaldas.
Aunque la comunidad científica descartó el modelo de Gödel como un modelo viable de nuestro Universo, ese trabajo fue importante para mostrar que, dentro de la física de la teoría de Einstein, era posible encontrar escenarios donde pudiese haber una forma de viajar al pasado.
En 1974, 25 años después del trabajo de Gödel, Frank Tipler muestra que el trabajo de W. J. van Stockum de 1938 [8], es un cilindro material infinito que gira tan rápido que puede deformar al tiempo en su alrededor próximo. Tipler especula que si el cilindro fuera finito, también conservaría las propiedades de deformación del tiempo y que, de esta manera, sería posible construir una máquina del tiempo [9]. Con dicho cilindro, sólo necesitaríamos de una nave que se acerque a él y dirigirla alrededor del cilindro de forma adecuada para viajar al pasado. Debido a la incertidumbre sobre la posibilidad de construir una máquina del tiempo como la propuesta por Tipler, se quedó como una bonita especulación teórica.
La siguiente propuesta teórica para viajar en el tiempo surgió en diciembre de 1986, cuando Kip Thorne (Premio Nobel de Física en 2017), junto a su estudiante Mike Morris, se dieron cuenta de que podían utilizar agujeros de gusano, la especialidad de Morris, para viajar al pasado. Thorne comenta que Carl Sagan fue quien lo encaminó al estudio de los agujeros de gusano cuando éste le llamó por teléfono para pedirle ayuda y dotar a su nueva novela de respaldo científico [10]. Fue dos años después, en 1988, que finalmente presentan su trabajo (junto a Ulvi Yurtsever) sobre agujeros de gusano como máquinas del tiempo. En la introducción, los autores se preguntan: “¿Qué restricciones imponen las leyes de la física sobre las actividades de una civilización arbitrariamente avanzada?” [11]. En particular, se preguntan por la posibilidad de construir y mantener agujeros de gusano para viajes interestelares.
A partir del trabajo de Morris, Thorne y Yurtsever, los agujeros de gusano han sido la apuesta más seria y más explotada para construir, de manera teórica, máquinas del tiempo que permitan viajar al humano hacia el pasado. Sin embargo, cabe preguntarse, aunque existan estos modelos, ¿existen condiciones que impidan su realización en el mundo real?
La pregunta obedece a la paradoja más famosa sobre los viajes temporales: la paradoja del abuelo, que se encuentra formulada por un chico de 17 años en una carta que le manda al editor de la revista de ciencia ficción Astounding Stories en 1931: “Supongamos una persona que tiene un fuerte resentimiento contra su abuelo, quien ya ha muerto para ese momento. Podría saltar a su máquina y regresar al año en que su abuelo era joven y matarlo. Y si lo hiciera, ¿cómo habría nacido el vengador?” [12] Esta paradoja, cuyo joven de 17 años fue capaz de pensar, plantea varios problemas en el escenario de la física: problemas de causalidad, de conservación de la materia y, por ende, de conservación de la energía, de la estructura dimensional del espacio-tiempo y, como se descubrió también, de la necesidad de existir materia exótica o de energía negativa.
Para evitar esa y otras paradojas temporales, distintos autores han dado algunas propuestas.  La primera fue hecha en 1980 por el astrofísico ruso Igor Dmitriyevich Novikov en una serie de libros y artículos donde enuncia el llamado Principio de Auto-consistencia el cual dice que, si acaso existieran los viajes al pasado, están prohibidas las historias (o viajes) donde se pueda asesinar a una versión joven de uno mismo, es decir, cambiar su pasado [13]. Posteriormente, en 1996, Novikov y sus colegas probaron que el Principio de Auto-consistencia se cumple siempre en sistemas físicos clásicos relativistas (es decir, sin mecánica cuántica involucrada) [14].
La otra viene de Hawking quien, en alguna ocasión dijo: “Lamento decepcionar a las personas como Kip que quieren regresar al pasado, ¡pero no puede hacerse con densidad de energía positiva en todas partes! Puedo demostrar que, para construir una máquina del tiempo finita, necesitas energía negativa.” [15] Lo cual hizo en un artículo de 1992 donde presenta la llamada Conjetura de Protección Cronológica: “Las leyes de la física no permiten la aparición de curvas cerradas tipo tiempo” [16], lo que es lo mismo a decir a que la naturaleza no permite la existencia de máquinas del tiempo que viajen al pasado. ¿Hawking tendrá razón?
Afortunadamente la naturaleza ya nos ha sorprendido con el mundo microscópico de las partículas subatómicas y de alta energía que resulta tener su propia magia y sus propias reglas. Cuando los anteriores (Thorne, Novikov, Hawking, entre otros) se han cuestionado los viajes en el tiempo para el mundo cuántico, ninguno ha podido dar una respuesta clara al respecto. A la cuántica le gusta eludir las respuestas deterministas.
Desde 1964, con la observación sobre la descomposición de una partícula llamada Kaón, se tenía evidencia indirecta de que la física en el tiempo es diferente para este mundo. Los procesos que serían reversibles en el mundo clásico, no lo son en el mundo cuántico. En este mundo, si las partículas pudieran viajar al pasado, generarían un mundo diferente del que vinieron. Además del mundo cuántico existe el mundo estadístico, aquel compuesto de muchos pequeños elementos que en su conjunto dan un comportamiento macroscópico. En este mundo existe lo que el astrofísico Arthur Eddington llamó “la flecha del tiempo” en 1927 [17].
Al día de hoy, 40 años después de la creación de COSMOS, podemos mencionar los logros de la manipulación del tiempo en el mundo cuántico:
2012 – Se observa de manera directa en el laboratorio el rompimiento de simetría T. Es decir, se observó que las partículas, llamadas mesones B, se comportan diferente cuando van hacia adelante en el tiempo que cuando van hacia atrás. Un muy ingenioso experimento elaborado por la Colaboración internacional BaBar que, de facto, invirtió la dirección del tiempo para observar el experimento [18].

Gráficas de los datos obtenidos por la colaboración internacional BaBar. [18]

2013 – Se empiezan a realizar simulaciones experimentales de elementos cuánticos, llamados qbits, que tienen curvas temporales cerradas (maquinas del tiempo) y son un paso hacia la construcción futura de máquinas cuánticas que tengan mecanismos internos de viajes temporales cíclicos [19].
2017 – Investigadores empezaron a utilizar cristales y el proceso de termalización para estudiar mecanismos cuánticos que desafían la flecha del tiempo [20].
2019 – Se observa el flujo de calor de una fuente fría a una caliente a nivel cuántico. En el mundo clásico siempre pasa al revés. Lo anterior significa haber logrado invertir, en cierto sentido, la flecha del tiempo [21].
Además de los anteriores, hay mucho trabajo realizándose actualmente que tienen que ver con el mundo cuántico y la inversión del tiempo, tanto a nivel experimental como a nivel teórico y, todo esto, parece indicar lo que el profesor Horowitz comentaba al inicio de este trabajo respecto a la evidencia de que un humano no puede viajar al pasado, aunque parezca que el mundo cuántico sí puede.
El optimismo científico se demuestra con el proyecto ruso RadioAstron [22] que usó al telescopio espacial Spektr-R y al terrestre en Pushino, que estuvo tomando datos del universo desde 2011 hasta 2019 intentando, entre otras cosas, detectar agujeros de gusano, es decir, las más buscadas máquinas del tiempo.
Esperemos que pronto podamos ver en el periódico las noticias de pasado mañana.


Bibliografía:
(1) Stephen W. Hawking, Kip S. Thorne, Igor Novikov, y Alan Lightman (2002), El futuro del espaciotiempo, Traductor Javier García Sanz, Editorial Crítica, España.
(2) Kip Thorne (2018), Agujeros negros y tiempo curvo: El escandaloso legado de Einstein, Traductor Javier García Sanz, Editorial Crítica, España.

Referencias:
[1] El día en que Stephen Hawking organizó una fiesta a la que nadie fue. Redacción BBC Mundo, 14 de marzo de 2018 [https://www.bbc.com/mundo/noticias-43400664] Consultado el 31 de mayo de 2020.
[2] Arthur C. Clarke (1972), Profiles of the Future, Gateway, Segunda Edición, EEUU, pp. 256
[3] Roy A. Sorensen (1987), Time Travel, Parahistory and Hume, Phylosophy, vol. 62, No. 240, pp. 227-236 [https://www.jstor.org/stable/3750799?seq=1#metadata_info_tab_contents] Consultado el 31 de mayor de 2020.
[4] Albert Einstein (1905), Sobre la electrodinámica de los cuerpos en movimiento, Traducción de Hernando Quevedo sobre la versión original en alemán: Zur Elektrodynamik bewegter Körper, de la revista Annalen der Physik, 17, 891-921.
[5] Carl Sagan (2013), Cosmos, Ballantine Books, EEUU, p. 222.
[6] According to current physical theory, is it possible for a human being to travel through time?, Scientific American, 21 de octubre de 1999 [https://www.scientificamerican.com/article/according-to-current-phys/] Consultado el 31 de mayo de 2020.
[7] Kurt Gödel (1949), A Remark About the Relationship Between Relativity Theory and Idealistic Philosophy, en Paul Schilpp (ed.)  (1970), Albert Einstein. Philosopher Scientist, MJF Books, EEUU, pp. 557 – 562.
[8] W. J. van Stockum (1938). IX.—The Gravitational Field of a Distribution of Particles Rotating about an Axis of Symmetry. Proceedings of the Royal Society of Edinburgh, 57, pp 135-154 doi:10.1017/S0370164600013699
[9] Frank J. Tipler (1974), Rotating cylinders and the possibility of global causality violation, Phys. Rev. D 9, no. 8, pp. 2203 – 2206 doi:10.1103/PhysRevD.9.2203
[10] Kip Thorne (1995), Black Holes and Time Warps: Einstein’s Ourtageous Legacy, W. W. Norton and Company, EEUU, p.492
[11] Michael S. Morris, Kip S. Thorne y Ulvi Yurtsever (1988), Wormholes, Time Machines, and the Weak Energy Condition, Phys. Rev. Lett. 61, no. 13, pp. 1446 – 1449 doi:10.1103/PhysRevLett.61.1446
[12] Anónimo (1931), en Paul J. Nahin (1993), Time Machines: Time Travel in Physics, Metaphysics, and Science Fiction, American Institute of Physics, EEUU.
[13] John Fredman, Michael S. Morris, Igor D. Novikov, Fernando Echeverría, Gunnar Klinkhammer, Kip S. Thorne y Ulvi Yurtsever (1990), Cauchy problem in spacetimes with closed timelike curves, Phys. Rev. D 42, no. 6, pp. 1915 – 1930 doi:10.1103/PhysRevD.42.1915
[14] A. Carlini, V. P. Frolov, M. B. Mensky, I. D. Novikov y H. H. Soleng (1995), Time Machines: the Principle of Self-consistency as a consequence of the Principle of Minimal Action, Int. J. Mod. Phys. D4, pp. 557 – 580 doi:10.1142/S0218271896000588
[15] Stephen W. Hawking, Kip S. Thorne, Igor Novikov, y Alan Lightman (2002), The future of Spacetime, W. W. Norton Company, EEUU, p. 96
[16] S. W. Hawking (1992), Chronology protection conjecture, Phys. Rev. D 46, no. 2, pp. 603 – 611 doi:10.1103/PhysRevD.46.603
[17] A. S. Eddington (1929) The Nature of the Physical World, The Macmillan Company, EEUU.
[18] J. P. Lees et al. (The BABAR Collaboration) (2012), Observation of Time-Reversal Violation in the B0 Meson System, Phys. Rev. Lett. 109, 211801.
[19] Martin Ringbauer et al. (2014), Experimental simulation of closed timelike curves, Nature Communications 5:4145 doi:10.1038/ncomms5145
[20] Johanna L. Miller (2019), An inexpensive crystal makes a fine quantum time machine, Physics Today 72, 11, 14 (2019); doi: 10.1063/PT.3.4335
[21] Kaonan Micadei, et al. (2019), Reversing the direction of heat flow using quantum correlations, Nature Communications, 10:2456, doi:10.1038/s41467-019-10333-7.
[22] Katia Moskvitch (2014) Hunting wormholes in a Soviet-era science city, New Scientist 8 de enero de 2014 [https://www.newscientist.com/article/mg22129512-900-hunting-wormholes-in-a-soviet-era-science-city/] Consultado el 31 de mayo de 2020.


Gustavo Alfredo Arciniega Durán.
Doctor en Física.
Investigador Postdoctoral en la FES Aragón, UNAM.


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