Flecha del tiempo

El concepto de flecha del tiempo se refiere popularmente a la dirección que el mismo registra y que discurre sin interrupción desde el pasado hasta el futuro, pasando por el presente, con la importante característica de su irreversibilidad, es decir, que futuro y pasado, sobre el eje del presente, muestran entre sí una neta asimetría.

Flecha del tiempo

El nombre lo dio Arthur Eddington, y se refiere a la experiencia que todos tenemos de que el tiempo fluye siempre en una dirección única, de pasado a futuro. Es la principal característica del tiempo.

Pues bien, desde el punto de vista de la física, nada demuestra que esto sea así. Al contrario, las leyes físicas no distinguen entre pasado, presente y futuro. Valen igual de pasado a futuro que de futuro a pasado, y nada indica que estas leyes sean erróneas. Esto se llama simetría y, salvo misteriosas excepciones, es la ley que rige todo el Cosmos.

Una de esas excepciones es la que hace que existamos aquí y ahora. Otra excepción es la asimetría temporal a la que llamamos flecha del tiempo.

Se trata de descubrir una ley que explique esa asimetría. Es decir, una ecuación que explique que el tiempo transcurra siempre hacia delante y que sea errónea si va hacia atrás. O bien, una ley que explique esa asimetría excepcional dentro de la simetría general del Cosmos. Esto último parece menos probable.

Hasta hace un siglo se creía que el tiempo era absoluto y transcurría siempre hacia delante. Tal como lo experimentamos.

Pero entonces, justamente en Suiza, la tierra de la precisión, Einstein formuló su teoría de la relatividad. El tiempo, tal como lo vivimos, pasó a ser sólo una ilusión. Hasta hoy, ninguna ley prueba que el tiempo fluya. De hecho, de la relatividad especial puede deducirse incluso que el tiempo no fluye.

Conforme el universo se expande y pierde su orden inicial, el tiempo fluiría siempre hacia delante. Es la teoría de la baja entropía inicial y parece avalada por las leyes de la termodinámica. Parece la respuesta más convincente. Pero aún desconocemos demasiado sobre los primeros instantes del universo para saberlo. A día de hoy, la flecha del tiempo sigue sin respuesta.

Flecha del tiempo

El concepto de flecha del tiempo se refiere popularmente a la dirección que el mismo registra y que discurre sin interrupción desde el pasado hasta elfuturo, pasando por el presente, con la importante característica de su irreversibilidad, es decir, que futuro y pasado, sobre el eje del presente, muestran entre sí una neta asimetría (el pasado, que es inmutable, se distingue claramente del incierto futuro).

La expresión en sí, flecha del tiempo, fue acuñada en el año 1927 por el astrónomo británico Arthur Eddington, quien la usó para distinguir una dirección en el tiempo en un universo relativista de cuatro dimensiones, el cual, de acuerdo con este autor, puede ser determinado por un estudio de los distintos sistemas de átomos, moléculas y cuerpos.

En busca de vida alienígena

Recientemente, julio de 2014, la Unión Astronómica Internacional (IAU) ha lanzado un concurso a nivel mundial para nombrar a Exoplanetas y a sus estrellas anfitrionas. Los nombres populares propuestos podrán ser presentados por diferentes entidades: clubs, agrupaciones y organizaciones sin ánimo de lucro interesado en Astronomía, y los votos serán emitidos por personas de todo el mundo a través de la página web NameExoWorlds 

Millones de personas podrán tomar parte en la votación. Con los votos escrutados, los nombres ganadores serán sancionados oficialmente por la IAU, lo que les permitirá ser utilizados libremente, en paralelo con la nomenclatura científica existente, con el debido crédito a las asociaciones u organizaciones que los hayan propuesto. 
  La actividad de nombrar planetas, constelaciones, estrellas es algo que se ha venido realizando desde tiempo inmemorial en todas las civilizaciones.

¿Porque esta propuesta?

En 1995, dos astrónomos suizos Michel Mayor y Didier Queloz confirmaron que un planeta, 51 Pegasi b, daba vueltas alrededor de otra estrella similar al Sol, y con ello nuestra percepción del Universo cambió para siempre. Soñar con estos mundos denominados exoplanetas, exotierras, etc. y con la posibilidad de la existencia de vida en ellos es algo que ha estado en la mente de mucha gente, pero solo con el desarrollo de las técnicas y herramientas adecuadas es a finales del siglo XX cuando se da esta posibilidad de encontrarla.

Hoy según ha avanzado la tecnología se han podido ir detectando más exoplanetas y cada vez más pequeños, ahora estamos en disposición de encontrar planetas similares a la Tierra, rocosos y con agua. Y esto ha incrementado el interés del público por estos nuevos mundos, por la búsqueda de vida alienígena, vida extraterrestre.

A día de hoy hay confirmados 1797 exoplanetas, solo en los últimos cinco años, desde el lanzamiento del telescopio Kepler de la Nasa este ha localizado 134 exoplanetas y más de 3000 posibles pendientes de confirmar.

La NASA ha aprobado el lanzamiento para 2017 de un nuevo telescopio que nos permitirá cazar exotierras , el TESS (satelite de busqueda de exoplanetas en transito), buscará planetas entorno a las estrellas más cercanas y en 2018 se lanzará el nuevo telescopio espacial James Webb (imagen) que facilitará la busqueda de los componentes gaseosos, a modo de biofirmas, en las atmósferas planetarias que indiquen la existencia vida, hoy por hoy basada en agua y carbono.

Hoy la probabilidad de encontrar un planeta habitado más allá de la Tierra ha aumentado de forma significativa, incluso en el Instituto tecnológico de Massachusetts, Sara Seager, utilizando una ecuación similar a la de Drake predice que en la próxima década se encontraran dos planetas con vida extraterrestre , vida alienígena.

Hoy parece que existe una carrera por encontrar exoplanetas habitables, una carrera para ir en busca de vida alienígena.

Teorías cosmológicas (modelo estacionario)

Es una teoría cosmológica formulada en 1948 por Hermann Bondi y Thomas Gold, y sucesivamente ampliada por Fred Hoyle, según la cual el Universo siempre ha existito y siempre existirá.

Fred Hoyle

Aquellos que rehúsan aceptar que el Universo tuvo un principio, pueden encontrar una opción satisfactoria en la teoría del estado estacionario. Según ésta, el Universo no sólo es uniforme en el espacio, sino también en el tiempo; así como, a gran escala, una región del Universo es semejante a otra, del mismo modo su apariencia ha sido la misma en cualquier época, ya que el Universo existe desde tiempos infinitos.

El Universo era eterno y, aunque se hallaba en expansión, siempre había permanecido igual, fuera cual fuera la región del espacio que observáramos. Esto era así porque se creaba materia continuamente, de manera que la nueva materia creada iba ocupando el espacio dejado por las galaxias en expansión. Esta propuesta recibió el nombre de “Teoría del Estado Estacionario” y afirma la existencia de un Universo homogéneo, es decir, que tiene el mismo aspecto sea cual sea la región del espacio que observemos y el tiempoen el que lo hagamos. Estas dos características, homogeneidad e isotropía, son conocidas con el nombre de Principio Cosmológico Perfecto.

El Universo era eterno y, aunque se hallaba en expansión, siempre había permanecido igual, fuera cual fuera la región del espacio que observáramos. Esto era así porque se creaba materia continuamente, de manera que la nueva materia creada iba ocupando el espacio dejado por las galaxias en expansión. Esta propuesta recibió el nombre de “Teoría del Estado Estacionario” y afirma la existencia de un Universo homogéneo, es decir, que tiene el mismo aspecto sea cual sea la región del espacio que observemos y el tiempoen el que lo hagamos. Estas dos características, homogeneidad e isotropía, son conocidas con el nombre de Principio Cosmológico Perfecto.

La Teoría del Estado Estacionario rechazaba totalmente la hipótesis de que existiera una radiación cósmica de fondo, puesto que, según ellos, no había habido ninguna explosión inicial, lo que significaba que en caso de descubrirse su existencia esta teoría se vería seriamente comprometida.

Teoría estacionaria

De acuerdo con Viquez (2007) en la teoría del estado estacionario, la disminución de la densidad que produce el Universo al expandirse se compensa con una creación continua de materia. Debido a que se necesita poca materia para igualar la densidad del Universo, esta Teoría no se ha podido demostrar directamente. La teoría del estado estacionario surge de la aplicación del llamado principio cosmológico perfecto, el cual sostiene que para cualquier observador el universo debe parecer el mismo en cualquier lugar del espacio. La versión perfecta de este principio incluye el tiempo como variable por lo cual el universo no solamente presenta el mismo aspecto desde cualquier punto sino también en cualquier instante de tiempo siendo sus propiedades generales constantes tanto en el espacio como en el tiempo.

Los problemas con esta teoría comenzaron a surgir a finales de los años 60, cuando las evidencias observacionales empezaron a mostrar que, de hecho, el Universo estaba cambiando: se encontraron quásares sólo a grandes distancias, no en las galaxias más cercanas.

La prueba definitiva vino con el descubrimiento de la radiación de fondo de microondas en 1965, pues en un modelo estacionario, el universo ha sido siempre igual y no hay razón para que se produzca una radiación de fondo con características térmicas. Buscar una explicación requiere la existencia de partículas de longitud milímetrica en el medio intergaláctico que absorba la radiación producida por fuentes galácticas extremadamente luminosas, una hipótesis demasiado forzada. 

Hipótesis estacionaria

Es asi como esta teoría perdió su popularidad cuando se descubrió la radiación de fondo, ya que no la explica de manera natural, en contraste con la teoría de la Gran Explosión. Además, la suposición de que se crea masa, y justamente en la proporción necesaria para mantener constante la densidad del Universo, no es totalmente sustentada en ninguna teoría física o hecho observado

La hipótesis fundamental de los proponentes del Universo estacionario es que nueva materia se crea continuamente de la nada, con lo cual la densidad del Universo se mantiene constante a pesar de la expansión. Evidentemente, queda del todo fuera de nuestras posibilidades comprobar experimentalmente si tal efecto existe. Por otra parte, la teoría no postula que la materia nueva se crea uniformemente por todo el espacio; podría ser que nace en regiones muy específicas, como por ejemplo en los núcleos de las galaxias, donde ocurren fenómenos muy extraños. 

Teorías cosmológicas (modelo inflacionario)

La teoría inflacionaria, implica un proceso denominado inflación, en el que hubo un período de expansión exponencial en el Universo, donde la distancia entre dos observadores fijos se incrementa expotencialmente, por la métrica de expansión del Universo. La tasa de expansión dada por la constante de Hubble, es casi constante, lo que lleva a niveles de simetría muy altos. 

La inflación también se conoce como un período de expansión acelerada, dado que la distancia entre dos observadores se incrementa a una tasa acelerante si se  mueven alejándose. El proceso de inflación  también toma en cuenta las ideas cosmológicas, con la teoría cuántica y la física de las partículas elementales.

Alan Guth

Esta teoría fue desarrollada a inicios de la década de 1980, por el científico estadounidense Alan Guth, con el objetivo de explicar los primeros momentos del Universo; tomando en cuenta que en  la formulación de la Teoría de la Gran Explosión, quedaron varios problemas por resolver como los siguientes:

• El estado inicial de la materia, no permitía aplicar las leyes físicas normales
• El estado de uniformidad del Universo, era difícil de explicar, porque de acuerdo con la Teoría del BIg Bang, la expansión del universo se dió con demasiada rapidez como para desarrollar esta uniformidad.

Alan Guth  basó la formulación de la  teoría inflacionaria en el trabajo de  Stephen Hawking, que había estudiado campos gravitatorios sumamente fuertes, como los que se encuentran cerca de un  agujero negro o en el inicio del Universo, donde se expone que toda la materia del Universo pudo crearse por fluctuaciones cuánticas en un espacio vacío, bajo estas condiciones.  Se suponía que nada existía antes de la existencia del universo como un punto con densidad infinita; en este punto estaba concentrada toda la materia, la energía, el espacio y el tiempo y según esta teoría lo que desencadenó la gran explosión, es una fuerza inflacionaria ejercida en una cantidad de tiempo inapreciable, que permitió que se formará una región observable del universo. 

La Teoría hace la diferencia entre un universo real y un universo observable, siendo el universo observable el habitado por el hombre, que es mucho más pequeño que el universo real.

Modelo inflacionario

La inflación explica como una partícula extremadamente densa y caliente que contenía toda la masa y energía del Universo, siendo de menor tamaño que un protón, sale desprendida hacia el exterior en una expansión que continua en los millones de años transcurridos desde entonces.

Se considera que este empuje inicial se originó, en procesos en los que una sola fuerza unificada de la naturaleza se dividió en las cuatro fuerzas fundamentales actuales: la gravitación, el electromagnetismo y las interacciones nucleares fuerte y débil.

Esta fuerza unificada que produce la inflación sólo actuó durante una pequeña fracción de segundo, duplicando en ese tiempo, el tamaño del Universo 100 veces o más, permitiendo que una bola de energía de unos 10²⁰ veces más pequeña que un protón, se transformara en una zona de 10 cm de extensión tan sólo 15 × 10^-33 segundos.  Este empuje hacia el exterior fue tan violento que, aunque la gravedad está frenando las galaxias desde entonces, la expansión del Universo continúa en la actualidad.

El funcionamiento de la teoría inflacionaria sigue en discusión, los físicos cosmólogos han creído entender los sucesos desde que el Universo tenía  una diezmilésima de segundo de antigüedad, cuando la temperatura era de un billón de grados y la densidad era en todas partes la que existe actualmente en el núcleo de un átomo. Donde las partículas materiales como electrones o protones eran intercambiables con energía en forma de fotones, los cuales perdían energía, o desaparecían por completo, y la energía perdida se transformaba en partículas.

Caso contrario sucedía con las partículas, desaparecían y su energía reaparecía como fotones, según la ecuación E = mc². Estas condiciones descritas son extremas en comparación con la experiencia diaria, pero corresponden a energías y densidades estudiadas rutinariamente en los aceleradores de partículas: por eso los científicos están convencidos de entender lo que ocurría cuando todo el Universo se hallaba en ese estado.

George Gamow

Físico estadounidense de origen ruso conocido por sus trabajos en el campo de la bioquímica y la astrofísica. En 1922 ingresó en la Universidad de Novorossia de su ciudad natal, y al año siguiente pasó a estudiar en la Universidad de Leningrado, centro donde obtuvo la licenciatura en 1926 y el doctorado en 1928. Tras completar su formación en la Universidad de Gotinga, en Copenhague, junto a Niels Bohr, y en Cambridge con Lord Rutherford, fue nombrado profesor de la Universidad de Leningrado, cargo que ejerció entre 1931 y 1933.

Durante esta época, sus investigaciones estuvieron centradas en la física atómica. En el curso 1933-1934 estuvo en el Instituto Pierre Curie de París y como profesor visitante de la Universidad de Londres, después viajó a Estados Unidos invitado como lector por la Universidad de Michigan y, a continuación, fue contratado como profesor de Física por la Universidad George Washington de la capital, puesto en el que permaneció hasta 1956.

Ya adquirida la nacionalidad estadounidense, durante los años de la Segunda Guerra Mundial fue llamado por el gobierno, como muchos otros científicos, para trabajar en el proyecto de la bomba atómica. Junto con Ralph Alpher desarrolló una teoría sobre la creación de los elementos químicos, basada en la explosión originaria de un átomo primitivo, conocida popularmente como Big Bang, que Georges Lemaître formuló en 1931 y que él contribuyó a divulgar; asimismo, desarrolló la teoría denominada Gamow-Teller y profundizó en el descubrimiento de Hans Bethe sobre el ciclo que produce la energía estelar.

Fue uno de los primeros científicos en contradecir la idea del enfriamiento del Sol, y en cambio, defender su progresivo calentamiento como posible causa de la extinción de la vida terrestre. En 1954 teorizó sobre la composición del código genético a base de tripletas de nucleótidos, y aunque se equivocó en los cálculos, la idea fue confirmada mediante experimentos en 1961. En 1958 contrajo matrimonio con Barbara Perkins. Desde 1956 fue profesor de Física Teórica en la Universidad de Colorado, y ese mismo año recibió el Premio Kalinga, concedido por la UNESCO por su labor divulgativa de la Ciencia.

El Big Bang (La creación del universo)

La teoría del Big Bang es el modelo cosmológico predominante para los períodos conocidos más antiguos del Universo y su posterior evolución a gran escala.

Afirma que el universo estaba en un estado de muy alta densidad y luego se expandió. Si las leyes conocidas de la física se extrapolan más allá del punto donde son válidas, encontramos una singularidad.

La materia, en el Big Bang, era un punto de densidad infinita que, en un momento dado, explota generando su expansión en todas las direcciones y creando lo que conocemos como nuestro Universo.

Los físicos teóricos han logrado reconstruir esta cronología de los hechos a partir de un 1/100 de segundo después del Big Bang. La materia lanzada en todas las direcciones por la explosión primordial está constituida exclusivamente por partículas elementales: Electrones, Positrones, Mesones, Bariones, Neutrinos, Fotones y un largo etcétera hasta más de 89 partículas conocidas hoy en día.

En 1948 el físico ruso nacionalizado estadounidense George Gamow modificó la teoría de Lemaître del núcleo primordial. Gamow planteó que el Universo se creó en una explosión gigantesca y que los diversos elementos que hoy se observan se produjeron durante los primeros minutos después de la Gran Explosión o Big Bang, cuando la temperatura extremadamente alta y la densidad del Universo fusionaron partículas subatómicas en los elementos químicos.

Cálculos más recientes indican que el hidrógeno y el helio habrían sido los productos primarios del Big Bang, y los elementos más pesados se produjeron más tarde, dentro de las estrellas. Sin embargo, la teoría de Gamow proporciona una base para la comprensión de los primeros estadios del Universo y su posterior evolución. A causa de su elevadísima densidad, la materia existente en los primeros momentos del Universo se expandió con rapidez. Al expandirse, el helio y el hidrógeno se enfriaron y se condensaron en estrellas y en galaxias. Esto explica la expansión del Universo y la base física de la ley de Hubble.

Según se expandía el Universo, la radiación residual del Big Bang continuó enfriándose, hasta llegar a una temperatura de unos 3 K (-270 °C). Estos vestigios de radiación de fondo de microondas fueron detectados por los radioastrónomos en 1965, proporcionando así lo que la mayoría de los astrónomos consideran la confirmación de la teoría del Big Bang.

Uno de los grandes problemas científicos sin resolver en el modelo del Universo en expansión es si el Universo es abierto o cerrado (esto es, si se expandirá indefinidamente o se volverá a contraer).

Un intento de resolver este problema es determinar si la densidad media de la materia en el Universo es mayor que el valor crítico en el modelo de Friedmann. La masa de una galaxia se puede medir observando el movimiento de sus estrellas; multiplicando la masa de cada galaxia por el número de galaxias se ve que la densidad es sólo del 5 al 10% del valor crítico. La masa de un cúmulo de galaxias se puede determinar de forma análoga, midiendo el movimiento de las galaxias que contiene. Al multiplicar esta masa por el número de cúmulos de galaxias se obtiene una densidad mucho mayor, que se aproxima al límite crítico que indicaría que el Universo está cerrado.

La diferencia entre estos dos métodos sugiere la presencia de materia invisible, la llamada materia oscura, dentro de cada cúmulo pero fuera de las galaxias visibles. Hasta que se comprenda el fenómeno de la masa oculta, este método de determinar el destino del Universo será poco convincente.

Muchos de los trabajos habituales en cosmología teórica se centran en desarrollar una mejor comprensión de los procesos que deben haber dado lugar al Big Bang. La teoría inflacionaria, formulada en la década de 1980, resuelve dificultades importantes en el planteamiento original de Gamow al incorporar avances recientes en la física de las partículas elementales. Estas teorías también han conducido a especulaciones tan osadas como la posibilidad de una infinidad de universos producidos de acuerdo con el modelo inflacionario.

Sin embargo, la mayoría de los cosmólogos se preocupa más de localizar el paradero de la materia oscura, mientras que una minoría, encabezada por el sueco Hannes Alfvén, premio Nobel de Física, mantienen la idea de que no sólo la gravedad sino también los fenómenos del plasma, tienen la clave para comprender la estructura y la evolución del Universo.