El siguiente ensayo se reimprime con el permiso de The Conversation, una publicación en línea que cubre las últimas investigaciones.
El tiempo parece la característica más básica de la realidad. Los segundos pasan, los días pasan y todo, desde el movimiento planetario hasta la memoria humana, parece desarrollarse en una dirección única e irreversible. Nacemos y morimos, exactamente en ese orden. Planificamos nuestras vidas en torno al tiempo, lo medimos obsesivamente y lo experimentamos como un flujo ininterrumpido del pasado al futuro. Parece tan obvio que el tiempo avanza que cuestionarlo puede parecer casi inútil.
Y, sin embargo, durante más de un siglo, la física ha luchado por decir qué es realmente el tiempo. Esta lucha no es una cuestión filosófica. Se encuentra en el centro de algunos de los problemas más profundos de la ciencia.
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La física moderna se basa en marcos diferentes, pero igualmente importantes. Una es la teoría de la relatividad general de Albert Einstein, que describe la gravedad y el movimiento de objetos grandes como los planetas. Otra es la mecánica cuántica, que rige el microcosmos de átomos y partículas. Y en una escala aún mayor, el modelo estándar de cosmología describe el nacimiento y la evolución del universo en su conjunto. Todos dependen del tiempo, pero lo tratan de manera incompatible.
Cuando los físicos intentan combinar estas teorías en un solo marco, el tiempo a menudo se comporta de maneras inesperadas y preocupantes. A veces se estira. A veces se ralentiza. A veces desaparece por completo.
La teoría de la relatividad de Einstein fue, de hecho, el primer gran golpe a nuestra intuición cotidiana sobre el tiempo. El tiempo, demostró Einstein, no es universal. Corre a diferentes velocidades dependiendo de la gravedad y el movimiento. Dos observadores que se mueven uno respecto del otro no estarán de acuerdo sobre qué eventos ocurrieron al mismo tiempo. El tiempo se convirtió en algo elástico, entretejido con el espacio en un tejido de cuatro dimensiones llamado espaciotiempo.
La mecánica cuántica hizo las cosas aún más extrañas. En la teoría cuántica, el tiempo no es algo que la teoría explique. Simplemente se supone. Las ecuaciones de la mecánica cuántica describen cómo evolucionan los sistemas con respecto al tiempo, pero el tiempo en sí sigue siendo un parámetro externo, un reloj de fondo que se encuentra fuera de la teoría.
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Este desajuste se agudiza cuando los físicos intentan describir la gravedad a nivel cuántico, lo cual es crucial para desarrollar la tan codiciada teoría del todo, que vincula las principales teorías fundamentales. Pero en muchos intentos de crear tal teoría, el tiempo desaparece por completo como parámetro de las ecuaciones fundamentales. El universo parece congelado, descrito por ecuaciones que no hacen referencia al cambio.
Este enigma se conoce como el problema del tiempo y sigue siendo uno de los obstáculos más persistentes para una teoría unificada de la física. A pesar de los enormes avances en cosmología y física de partículas, todavía nos falta una explicación clara de por qué el tiempo fluye.
Ahora, un enfoque relativamente nuevo de la física, basado en un marco matemático llamado teoría de la información, desarrollado por Claude Shannon en la década de 1940, ha comenzado a ofrecer respuestas sorprendentes.
La entropía y la flecha del tiempo.
Cuando los físicos intentan explicar la dirección del tiempo, a menudo recurren a un concepto llamado entropía. La segunda ley de la termodinámica establece que el desorden tiende a aumentar. Un vaso puede caerse y hacerse añicos, pero los fragmentos nunca vuelven a juntarse espontáneamente. Esta asimetría entre pasado y futuro suele identificarse con la flecha del tiempo.
Esta idea ha sido enormemente influyente. Explica por qué muchos procesos son irreversibles, incluido por qué recordamos el pasado pero no el futuro. Si el universo comenzó en un estado de baja entropía y se vuelve más desordenado a medida que evoluciona, eso parece explicar por qué el tiempo avanza. Pero la entropía no resuelve del todo el problema del tiempo.
Por un lado, las ecuaciones mecanocuánticas fundamentales de la física no distinguen entre pasado y futuro. La flecha del tiempo surge sólo cuando consideramos un gran número de partículas y el comportamiento estadístico. Esto también plantea una pregunta más profunda: ¿por qué el universo comenzó en un estado de tan baja entropía? Estadísticamente, hay más formas de que un universo tenga una entropía alta que una entropía baja, del mismo modo que hay más formas de que una habitación esté desordenada que ordenada. Entonces, ¿por qué empezaría en un estado tan improbable?
La revolución de la información
En las últimas décadas se ha producido en la física una revolución silenciosa pero de gran alcance. La información, que alguna vez fue tratada como una herramienta de contabilidad abstracta utilizada para rastrear estados o probabilidades, ha sido reconocida cada vez más como una cantidad física por derecho propio, al igual que la materia o la radiación. Mientras que la entropía mide cuántos estados microscópicos son posibles, la información mide cómo las interacciones físicas limitan y registran esas posibilidades.
Este cambio no se produjo de la noche a la mañana. Surgió gradualmente, impulsado por acertijos en la intersección de la termodinámica, la mecánica cuántica y la gravedad, donde tratar la información como meramente matemática comenzó a producir contradicciones.
Una de las primeras grietas apareció en la física de los agujeros negros. Cuando Stephen Hawking demostró que los agujeros negros emiten radiación térmica, planteó una posibilidad inquietante: la información sobre cualquier cosa que caiga en un agujero negro podría perderse permanentemente en forma de calor. Esa conclusión entra en conflicto con la mecánica cuántica, que exige que se preserve la totalidad de la información.
Resolver esta tensión obligó a los físicos a afrontar una verdad más profunda. La información no es opcional. Si queremos una descripción completa del universo que incluya la mecánica cuántica, la información no puede simplemente desaparecer sin socavar los fundamentos de la física. Esta comprensión tuvo profundas consecuencias. Quedó claro que la información tiene un costo termodinámico, que borrarla disipa energía y que almacenarla requiere recursos físicos.
Paralelamente, surgieron conexiones sorprendentes entre la gravedad y la termodinámica. Se demostró que las ecuaciones de Einstein pueden derivarse de principios termodinámicos que vinculan directamente la geometría del espacio-tiempo con la entropía y la información. Desde este punto de vista, la gravedad no se comporta exactamente como una fuerza fundamental.
En cambio, la gravedad parece ser lo que los físicos llaman "emergente": un fenómeno que describe algo que es mayor que la suma de sus partes y que surge de constituyentes más fundamentales. Tomar temperatura. Todos podemos sentirlo, pero en un nivel fundamental, una sola partícula no puede tener temperatura. No es una característica fundamental. En cambio, sólo surge como resultado del movimiento colectivo de muchas moléculas.
De manera similar, la gravedad puede describirse como un fenómeno emergente que surge de procesos estadísticos. Algunos físicos incluso han sugerido que la propia gravedad puede surgir de la información, reflejando cómo se distribuye, codifica y procesa la información.
Estas ideas invitan a un cambio radical de perspectiva. En lugar de tratar el espacio-tiempo como algo primario y la información como algo que vive en su interior, la información puede ser el ingrediente más fundamental del que emerge el propio espacio-tiempo. A partir de esta investigación, mis colegas y yo hemos explorado un marco en el que el propio espacio-tiempo actúa como un medio de almacenamiento de información, y tiene importantes consecuencias en la forma en que vemos el tiempo.
Según este enfoque, el espacio-tiempo no es perfectamente fluido, como sugiere la relatividad, sino que está compuesto de elementos discretos, cada uno con una capacidad finita para registrar información cuántica procedente de partículas y campos que pasan. Estos elementos no son bits en el sentido digital, sino portadores físicos de información cuántica, capaces de conservar la memoria de interacciones pasadas.
Una forma útil de imaginarlos es pensar en el espacio-tiempo como un material hecho de pequeñas células portadoras de memoria. Así como una red cristalina puede almacenar defectos que aparecieron antes en el tiempo, estos elementos microscópicos del espacio-tiempo pueden retener rastros de las interacciones que han pasado a través de ellos. No son partículas en el sentido habitual descrito por el modelo estándar de física de partículas, sino una capa más fundamental de estructura física sobre la que la física de partículas opera en lugar de explicar.
Esto tiene una implicación importante. Si el espacio-tiempo registra información, entonces su estado actual refleja no sólo lo que existe ahora, sino todo lo que ha sucedido antes. Las regiones que han experimentado más interacciones llevan una huella de información diferente que las regiones que han experimentado menos. El universo, desde este punto de vista, no evoluciona simplemente de acuerdo con leyes eternas aplicadas a estados cambiantes. Recuerda.
Un cosmos que graba
Este recuerdo no es metafórico. Cada interacción física deja un rastro informativo. Aunque las ecuaciones básicas de la mecánica cuántica pueden ejecutarse hacia adelante o hacia atrás en el tiempo, las interacciones reales nunca ocurren de forma aislada. Inevitablemente afectan al entorno, filtran información y dejan registros duraderos de lo ocurrido. Una vez que esta información se haya extendido a un entorno más amplio, recuperarla requeriría deshacer no solo un evento, sino todos los cambios físicos que causó a lo largo del camino. En la práctica, eso es imposible.
Por eso la información no se puede borrar y los vasos rotos no se vuelven a montar. Pero la implicación es más profunda. Cada interacción escribe algo permanente en la estructura del universo, ya sea a la escala de la colisión de átomos o de la formación de galaxias.
La geometría y la información resultan estar profundamente conectadas en esta visión. En nuestro trabajo, hemos demostrado que cómo se curva el espacio-tiempo depende no sólo de la masa y la energía, como nos enseñó Einstein, sino también de cómo se distribuye la información cuántica, en particular el entrelazamiento. El entrelazamiento es un proceso cuántico que vincula misteriosamente partículas en regiones distantes del espacio y les permite compartir información a pesar de la distancia. Y estos vínculos informativos contribuyen a la geometría efectiva que experimentan la materia y la radiación.
Desde esta perspectiva, la geometría del espacio-tiempo no es sólo una respuesta a lo que existe en un momento dado, sino a lo que ha sucedido. Las regiones que han registrado muchas interacciones tienden, en promedio, a comportarse como si se curvaran con más fuerza y tuvieran una gravedad más fuerte que las regiones que han registrado menos.
Este replanteamiento cambia sutilmente el papel del espacio-tiempo. En lugar de ser un escenario neutral en el que se desarrollan los acontecimientos, el espacio-tiempo se convierte en un participante activo. Almacena información, limita la dinámica futura y da forma a cómo pueden ocurrir nuevas interacciones. Naturalmente, esto plantea una pregunta más profunda. Si el espacio-tiempo registra información, ¿podría el tiempo surgir de este proceso de registro en lugar de ser asumido desde el principio?
Tiempo que surge de la información.
Recientemente, ampliamos esta perspectiva informativa al tiempo mismo. En lugar de tratar el tiempo como un parámetro de fondo fundamental, demostramos que el orden temporal surge de la impresión de información irreversible. Desde este punto de vista, el tiempo no es algo que se añade manualmente a la física. Surge porque la información se escribe en procesos físicos y, según las leyes conocidas de la termodinámica y la física cuántica, no se puede volver a escribir globalmente. La idea es simple pero de gran alcance.
Cada interacción, como el choque de dos partículas, escribe información en el universo. Estas huellas se acumulan. Como no pueden borrarse, definen un orden natural de los acontecimientos. Los estados anteriores son los que tienen menos registros informativos. Los estados posteriores son los que tienen más.
Las ecuaciones cuánticas no prefieren una dirección del tiempo, pero el proceso de difusión de información sí. Una vez que la información se ha difundido, no existe un camino físico de regreso al estado en el que se localizó. Por tanto, el orden temporal está anclado en esta irreversibilidad, no en las ecuaciones mismas.
El tiempo, desde este punto de vista, no es algo que exista independientemente de los procesos físicos. Es el registro acumulativo de lo sucedido. Cada interacción agrega una nueva entrada y la flecha del tiempo refleja el hecho de que este registro solo crece.
El futuro difiere del pasado porque el universo contiene más información sobre el pasado que sobre el futuro. Esto explica por qué el tiempo tiene una dirección sin depender de condiciones iniciales especiales de baja entropía ni de argumentos puramente estadísticos. Mientras se produzcan interacciones y la información se registre de forma irreversible, el tiempo avanza.
Curiosamente, esta huella acumulada de información puede tener consecuencias observables. A escalas galácticas, la huella de información residual se comporta como un componente gravitacional adicional, dando forma a cómo giran las galaxias sin invocar nuevas partículas. De hecho, la sustancia desconocida llamada materia oscura se introdujo para explicar por qué las galaxias y los cúmulos de galaxias giran más rápido de lo que permitiría su masa visible por sí sola.
En el panorama informativo, esta atracción gravitacional adicional no proviene de la materia oscura invisible, sino del hecho de que el propio espacio-tiempo ha registrado una larga historia de interacciones. Las regiones que han acumulado más huellas de información responden con más fuerza al movimiento y la curvatura, aumentando efectivamente su gravedad. Las estrellas orbitan más rápido no porque haya más masa presente, sino porque el espacio-tiempo por el que se mueven lleva una memoria informativa más pesada de interacciones pasadas.
Desde este punto de vista, la materia oscura, la energía oscura y la flecha del tiempo pueden surgir de un único proceso subyacente: la acumulación irreversible de información.
tiempo de prueba
¿Pero podríamos alguna vez probar esta teoría? A menudo se acusa a las ideas sobre el tiempo de ser más filosóficas que científicas. Debido a que el tiempo está tan profundamente entretejido en la forma en que describimos el cambio, es fácil suponer que cualquier intento de repensarlo debe seguir siendo abstracto. Un enfoque informativo, sin embargo, hace predicciones concretas y se conecta directamente con sistemas que podemos observar, modelar y, en algunos casos, probar experimentalmente.
Los agujeros negros proporcionan un campo de pruebas natural, ya que parecen sugerir que se borra información. En el marco informativo, este conflicto se resuelve reconociendo que la información no se destruye sino que se imprime en el espacio-tiempo antes de cruzar el horizonte. El agujero negro lo registra.
Esto tiene una implicación importante para el tiempo. A medida que la materia cae hacia un agujero negro, las interacciones se intensifican y la impresión de información se acelera. El tiempo continúa avanzando localmente porque la información continúa escribiéndose, incluso cuando las nociones clásicas de espacio y tiempo se desmoronan cerca del horizonte y parecen ralentizarse o congelarse para los observadores distantes.
A medida que el agujero negro se evapora a través de la radiación de Hawking, el registro de información acumulado no desaparece. Más bien, afecta la forma en que se emite la radiación. La radiación debería llevar señales sutiles que reflejen la historia del agujero negro. En otras palabras, la radiación saliente no es perfectamente aleatoria. Su estructura está formada por la información previamente registrada en el espacio-tiempo. La detección de tales signos aún está fuera del alcance de la tecnología actual, pero proporciona un objetivo claro para futuros trabajos teóricos y de observación.
Los mismos principios se pueden explorar en sistemas controlados mucho más pequeños. En experimentos de laboratorio con computadoras cuánticas, los qubits (el equivalente de los bits en las computadoras cuánticas) pueden tratarse como células de información de capacidad finita, al igual que las del espacio-tiempo. Los investigadores han demostrado que incluso cuando las ecuaciones cuánticas subyacentes son reversibles, la forma en que se escribe, difunde y recupera la información puede generar una flecha del tiempo efectiva en el laboratorio. Estos experimentos permiten a los físicos probar cómo los límites de almacenamiento de información afectan la reversibilidad, sin necesidad de sistemas cosmológicos o astrofísicos.
Las extensiones del mismo marco sugieren que la impresión informativa no se limita a la gravedad. Puede desempeñar un papel en todas las fuerzas fundamentales de la naturaleza, incluido el electromagnetismo y las fuerzas nucleares. Si esto es correcto, entonces la flecha del tiempo debería, en última instancia, rastrearse hasta cómo todas las interacciones registran información, no sólo las gravitacionales. Probar esto implicaría buscar límites a la reversibilidad o recuperación de información en diferentes procesos físicos.
En conjunto, estos ejemplos muestran que el tiempo informativo no es una reinterpretación abstracta. Vincula agujeros negros, experimentos cuánticos e interacciones fundamentales a través de un mecanismo físico compartido, uno que puede explorarse, limitarse y potencialmente falsificarse a medida que nuestro alcance experimental continúa creciendo.
¿Qué hora es realmente?
Las ideas sobre la información no reemplazan a la relatividad ni a la mecánica cuántica. En las condiciones cotidianas, el tiempo informativo sigue de cerca el tiempo medido por los relojes. Para la mayoría de los propósitos prácticos, la imagen familiar del tiempo funciona extremadamente bien. La diferencia aparece en regímenes donde las descripciones convencionales luchan.
Cerca de los horizontes de los agujeros negros o durante los primeros momentos del universo, la noción habitual del tiempo como una coordenada externa suave se vuelve ambigua. El tiempo informativo, por el contrario, permanece bien definido mientras se produzcan interacciones y la información se registre de forma irreversible.
Todo esto puede hacer que te preguntes qué es realmente la hora. Este cambio reformula el debate de larga data. La cuestión ya no es si el tiempo debe asumirse como un ingrediente fundamental del universo, sino si refleja un proceso subyacente más profundo.
Desde este punto de vista, la flecha del tiempo puede surgir naturalmente de interacciones físicas que registran información y no se pueden deshacer. El tiempo, entonces, no es un parámetro de fondo misterioso y aparte de la física. Es algo que el universo genera internamente a través de su propia dinámica. En última instancia, no es una parte fundamental de la realidad, sino que surge de componentes más básicos como la información.
Queda por ver si este marco resulta ser una respuesta final o un trampolín. Como muchas ideas en física fundamental, se mantendrá o fracasará dependiendo de qué tan bien conecte la teoría con la observación. Pero ya sugiere un sorprendente cambio de perspectiva.
El universo no existe simplemente en el tiempo. El tiempo es algo que el universo escribe continuamente en sí mismo.
Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation. Lea el artículo original.