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Retroceder en el tiempo requiere una habilidad considerable. La teoría de la relatividad permite que este viaje se realice dentro de una estructura espacio-temporal específica: un universo en rotación, un cilindro en rotación y el famoso agujero de gusano, un túnel a través del espacio y el tiempo.
Los viajes en el tiempo se han convertido en un tema popular de ciencia ficción desde que H. G. Wells escribió su famosa novela "La máquina del tiempo" en 1895. ¿Pero es realmente posible? ¿Es posible construir una máquina que transporte personas al pasado o al futuro?
Los viajes en el tiempo han estado al margen de la ciencia convencional durante décadas. Sin embargo, en los últimos años el tema se ha convertido en un pasatiempo de investigación personal entre algunos físicos teóricos. Este cambio es en parte por diversión: es divertido imaginar viajes en el tiempo. Pero la investigación también tiene un lado serio. Comprender la causa y el efecto es una parte clave para intentar construir una teoría física unificada. Si fuera posible viajar en el tiempo infinito, entonces, en principio, las propiedades de una teoría tan unificada podrían verse seriamente afectadas.
Nuestra mejor comprensión del tiempo proviene de la teoría de la relatividad de Einstein. Antes del nacimiento de estas teorías, la gente creía en general que el tiempo era absoluto y universal. Independientemente de la condición física de una persona, el tiempo es el mismo para todos. En la teoría de la relatividad especial de Einstein, propuso que medir el intervalo de tiempo entre dos eventos depende de cómo se mueve el observador. Fundamentalmente, dos observadores con diferentes estados de movimiento experimentarán diferentes duraciones para los mismos dos eventos.
El efecto que a menudo se describe mediante la "paradoja de los gemelos": supongamos que Sally y Sam son gemelos y Sally toma una nave espacial a una estrella cercana a gran velocidad y luego regresa y vuela de regreso a la Tierra, mientras que Sam simplemente se queda. en casa. Para Sally, el viaje duró aproximadamente un año, pero cuando regresó a la Tierra y salió de la nave espacial, descubrió que habían pasado 10 años en la Tierra y que su hermano ahora era nueve años mayor que ella. Aunque Sally y Sam nacieron el mismo día, sus edades son diferentes. Este ejemplo ilustra una forma limitada de viaje en el tiempo. De hecho, Sally ha saltado nueve años hacia el futuro de la Tierra.
Detalles del sistema Diferencia horaria acumulada
El vuelo aeronáutico se realiza a una velocidad de 920 kilómetros por hora durante ocho horas (respecto al sistema de referencia inercial).
Un submarino nuclear navega a una profundidad de 300 metros durante 6 meses y 500 nanosegundos (con respecto al nivel del mar).
La energía de los neutrones libres en los rayos cósmicos alcanza los 1018 electronvoltios, extendiéndose desde 15 minutos hasta 30.000 años.
La estrella de neutrones tiene un corrimiento al rojo de 0,2 y una dilatación del tiempo del 20% (en relación con el espacio exterior)
Los chorros son muy lentos.
Un efecto llamado dilatación del tiempo siempre ocurre entre dos observadores que se mueven uno respecto del otro. En nuestra vida diaria, no notamos un extraño cambio de tiempo porque el efecto sólo se nota cuando el movimiento se acerca a la velocidad de la luz. Incluso a la velocidad de un avión, la dilatación del tiempo durante un viaje típico es de sólo unos pocos nanosegundos; no es suficiente para una expedición a Gales, pero los relojes atómicos son lo suficientemente precisos como para registrar el cambio y confirmar que el movimiento efectivamente alarga el tiempo. Por lo tanto, viajar hacia el futuro es un hecho comprobado, aunque hasta ahora sólo sea en este emocionante grado.
Tres pasos nada sencillos para construir una máquina del tiempo con agujero de gusano
1. Encuentra o construye un agujero de gusano, abre un túnel y conecta dos áreas diferentes en el espacio. Es posible que existan naturalmente grandes agujeros de gusano en el espacio exterior, un legado de BIGBANG. De lo contrario, tendríamos que conformarnos con agujeros de gusano más pequeños que los átomos. Son un producto natural (pequeños agujeros de gusano nacen y mueren a nuestro alrededor todo el tiempo) o un producto artificial (como se muestra en la imagen aquí, son producidos por aceleradores de partículas). Estos agujeros de gusano más pequeños tendrían que expandirse hasta alcanzar el tamaño real, quizás utilizando campos de energía que pronto provocarían la expansión del espacio en el Big Bang.
2. Estabilizar el agujero de gusano. Al inyectar energía negativa generada cuánticamente mediante el llamado efecto Casimir, un agujero de gusano permite que señales y objetos pasen a través de él de manera segura. La energía negativa resiste la tendencia de un agujero de gusano a colapsar hasta un punto donde la densidad es infinita o cercana al infinito. En otras palabras, evita que el agujero de gusano se convierta en un agujero negro.
3. Arrastra el agujero de gusano.
Una nave tecnológicamente muy avanzada separa las entradas al agujero de gusano. Se podría colocar un portal en la superficie de una estrella de neutrones, una estrella extremadamente densa con un fuerte campo gravitacional. La fuerte gravedad ralentiza el tiempo. Como el tiempo pasa más rápido en la otra entrada del agujero de gusano, las dos entradas están separadas no sólo en el espacio sino también en el tiempo.
Para observar distorsiones del tiempo reales y significativas, uno debe salir del ámbito habitual de la experiencia. En los grandes aceleradores, las partículas subatómicas pueden acelerarse hasta casi la velocidad de la luz. Algunas de estas partículas, como los muones, tienen un reloj incorporado porque se desintegran con una determinada vida media; según la teoría de Einstein, se ha observado que los muones que viajan a altas velocidades en aceleradores se desintegran en cámara lenta. Algunos rayos cósmicos también sufren distorsiones temporales asombrosas. Estas partículas se mueven tan cerca de la velocidad de la luz que, dependiendo de su perspectiva, pueden viajar a través de la Vía Láctea en minutos, aunque en el marco de referencia de la Tierra parecería que tardarían decenas de miles de años. Si la dilatación del tiempo nunca hubiera ocurrido, esas partículas no estarían aquí.
Moverse a gran velocidad es una forma de saltar hacia el futuro. La gravedad es otra herramienta. En la teoría de la relatividad general de Einstein, predijo que la gravedad podría ralentizar el paso del tiempo. Los relojes de los pisos superiores funcionan más rápido que los de los sótanos, un fenómeno que se vuelve cada vez más evidente cuanto más cerca del centro de la Tierra y, por tanto, más profundamente en el campo gravitacional. Asimismo, los relojes funcionan más rápido en el espacio que en la Tierra. Aunque este efecto es insignificante, se ha medido directamente con un reloj preciso. De hecho, estos efectos de distorsión del tiempo deben tenerse en cuenta en el GPS. Si no tienen esto en cuenta, los marineros, los taxistas y los misiles de crucero se desviarán muchos kilómetros de su rumbo.
La gravedad en la superficie de una estrella de neutrones es tan fuerte que el tiempo pasa aproximadamente un 30% más lento que en la Tierra. Visto desde una estrella así, el evento parece un vídeo de avance rápido. Los agujeros negros representan el extremo de la distorsión del tiempo; en la superficie de este cuerpo celeste, el tiempo se detiene en relación con la Tierra. Esto significa que si cayeras en un agujero negro desde cerca, habría transcurrido una cantidad infinita de tiempo en el vasto universo en el poco tiempo que te llevó llegar a su superficie. En lo que respecta al universo fuera del agujero negro, el interior del agujero negro es el área donde termina el tiempo. Si un astronauta pudiera moverse rápidamente, podría acercarse mucho a un agujero negro y regresar sano y salvo; nadie diría que esto es imaginativo, por no decir imprudente. En cuanto a las perspectivas, podría dar un salto hacia el futuro.
Mi cabeza da vueltas.
A estas alturas ya he hablado de futuras situaciones de viaje en el tiempo. ¿Qué pasa con retrógrado? Este problema es mucho mayor. En 1948, Kurt Gabriel, del Instituto de Estudios Avanzados de Princeton, Nueva Jersey, propuso una solución a las ecuaciones del campo gravitacional de Einstein para describir el universo en rotación. En este universo, un astronauta puede viajar por el espacio para viajar en el tiempo. Este es el resultado de la gravedad que afecta a la luz. La rotación del universo hace que la luz (y la relación causal entre las cosas) sea atraída y encerrada en él, lo que permite que un objeto en un circuito cerrado se mueva en un circuito cerrado de espacio mientras viaja en un circuito cerrado de tiempo, en cualquier momento. el tiempo nunca excede la velocidad de la luz en relación con las partículas adyacentes. La explicación de Gabriel fue descartada como un mito matemático; después de todo, no se observó que el universo en su conjunto estuviera girando. Sus cálculos sólo demostraron que el movimiento retrógrado en el tiempo no viola la teoría de la relatividad. De hecho, Einstein dijo que estaba perplejo ante la idea de que su teoría pudiera, bajo ciertas circunstancias, permitirle viajar en el tiempo.
También se han descubierto otras conjeturas que nos retrotraen en el tiempo. Por ejemplo, en 1974, Frank J. Tipler de la Universidad de Tulane calculó un enorme cilindro giratorio de longitud infinita. En su eje, los astronautas pueden acceder a su pasado a la velocidad de la luz arrastrando la luz alrededor del cilindro para formar un anillo. En 1991, J. Richard Gott, de la Universidad de Princeton, predijo que las cuerdas cósmicas (estructuras que los cosmólogos suponen se originaron a principios del Big Bang) podrían producir resultados similares. Pero los guiones de máquinas del tiempo más realistas que surgieron a mediados de los años 1980 se concibieron basándose en el concepto de agujeros de gusano.
En la ciencia ficción, los agujeros de gusano a veces se denominan puertas estelares; proporcionan un atajo entre dos puntos distantes en el espacio. Salta a través de un agujero de gusano imaginario y es posible que estés al otro lado de la galaxia en un momento. Los agujeros de gusano son naturalmente consistentes con la relatividad general. Con la gravedad, no sólo se puede curvar el espacio, sino también el tiempo.
La teoría permite la existencia de caminos y túneles alternativos que conectan dos puntos en el espacio. Los matemáticos propusieron formas espaciales de conexiones múltiples. Así como un túnel a través de la base de una montaña es más corto que el camino en la superficie de la montaña, un agujero de gusano puede ser más corto que una ruta ordinaria a través del espacio ordinario.
Carl Sagan utilizó los agujeros de gusano como dispositivo ficticio en su novela Contacto del 65438 al 0985. Por sugerencia de Sagan, Kip S. Thorne y sus colegas de Caltech comenzaron a investigar si los agujeros de gusano eran consistentes con fenómenos físicos conocidos. Su punto de partida es que un agujero de gusano es un objeto con la misma terrible atracción gravitacional que un agujero negro. Pero a diferencia de un agujero negro, que sólo permite viajar en un solo sentido sin destino, un agujero de gusano tendría tanto una salida como una entrada.
En el ring de boxeo
Debido a que el agujero de gusano es transitable, debe contener la extraña sustancia, dijo Thorne. De hecho, esto es algo que puede producir un efecto antigravedad para resistir la tendencia natural de los sistemas a gran escala a ser empujados hacia agujeros negros debido a su propia fuerte gravedad. La antigravedad, o repulsión universal, puede ser producida por energía negativa o presión negativa. Se sabe que existen estados de energía negativos en ciertos sistemas cuánticos, lo que sugiere que la materia exótica de Thorne no está prohibida por las leyes de la física, aunque no está claro si se podría recolectar suficiente materia antigravedad para estabilizar un agujero de gusano. [Ver "Energía negativa, agujeros de gusano y conducción en curvas en el tiempo y el espacio", Lawrence H. Ford y Thomas A. Roman, Scientific American, número 65438, octubre de 2000].
Pronto, Thorne y sus colegas se dieron cuenta de que si podían crear un agujero de gusano estable, podrían transformarlo fácilmente en una máquina del tiempo. Un astronauta que viaja a través de un agujero de gusano puede aparecer no sólo en algún lugar del universo, sino también en un período determinado, es decir, en el futuro o en el pasado.
Para que un agujero de gusano sea adecuado para viajar en el tiempo, uno de sus agujeros debe estar dirigido hacia una estrella de neutrones y colocado cerca de su superficie. La gravedad de la estrella ralentizará el tiempo que pasa cerca de la entrada del agujero de gusano, provocando que la diferencia de tiempo entre los dos extremos del agujero de gusano se acumule gradualmente. Si ambos puertos se colocan en ubicaciones apropiadas en el espacio, la diferencia horaria permanecerá congelada.
Supongamos que la diferencia es de 10 años. Si un astronauta viaja a través de un agujero de gusano en una dirección, saltará al futuro 10 años después. Por el contrario, si el astronauta atravesara el agujero de gusano desde la otra dirección, saltaría 10 años al pasado. El segundo astronauta viaja a través del espacio ordinario a gran velocidad y regresa al punto de partida. Es posible que haya regresado a casa antes de partir. En otras palabras, un bucle cerrado en el espacio puede evolucionar hasta convertirse en un bucle en el tiempo. Una limitación es que los astronautas no pueden viajar al pasado antes de que se creara originalmente el agujero de gusano.
Un problema terrible es que el agujero de gusano original creado obstaculizará la construcción de una máquina del tiempo tipo agujero de gusano. Quizás el espacio esté naturalmente conectado por una estructura de este tipo, un legado del Big Bang. De ser así, una supercivilización probablemente utilizaría agujeros de gusano. Quizás los agujeros de gusano surjan de forma natural a escalas muy pequeñas (la llamada longitud de Planck es de aproximadamente 10 a 20 de la escala nuclear). En principio, un agujero de gusano tan pequeño podría estabilizarse mediante energía pulsante y luego expandirse de alguna manera hasta un tamaño utilizable.
¡Reseña!
Si se superan muchos problemas de ingeniería, la producción de máquinas del tiempo abrirá una caja de Pandora de paradojas causales. Por ejemplo, un viajero en el tiempo visita el pasado y asesina a la madre de una niña. ¿Cómo averiguamos qué significa este tipo de cosas? Si la niña moría, no podría ser la madre del viajero en el tiempo. Pero no puede regresar y asesinar a su madre si el viajero del tiempo no aparece.
La famosa paradoja de la madre (izquierda) y su solución (derecha)
La famosa paradoja de la madre (a veces elaborada por otros sistemas de relaciones familiares) está causada por la capacidad de las personas o de las cosas para responder a Ir al pasado y cambiar el tiempo pasado. Una versión simplificada utiliza canicas como ejemplo. Un pinball viaja a través de una máquina del tiempo tipo agujero de gusano y luego se golpea a sí mismo en un momento anterior, evitando así permanentemente que entre en el agujero de gusano.
La solución a esta paradoja surge de una simple comprensión: las canicas no pueden violar las leyes de la lógica o la física. Por supuesto, no puede evitar atravesar el agujero de gusano, pero no hay nada que impida que la canica atraviese el agujero de gusano de muchas otras maneras.
Estas paradojas aparentemente imposibles surgen cuando los viajeros en el tiempo intentan alterar el pasado. Pero eso no impide que alguien sea parte del pasado. Supongamos que un viajero en el tiempo retrocede en el tiempo para salvar a una joven del asesinato. La niña creció hasta convertirse en su madre. Entonces la conexión causal es ahora coherente y ya no contradictoria.
La coherencia de causa y efecto puede imponer limitaciones a lo que puede hacer un viajero en el tiempo, pero eso no excluye el viaje en el tiempo en sí.
Aunque viajar en el tiempo no es estrictamente una contradicción, sigue siendo increíble. Imagine a un viajero en el tiempo saltando un año hacia el futuro y leyendo sobre los últimos teoremas matemáticos en una futura edición de Scientific American. Memorizó los detalles, viajó a su época y enseñó la teoría a un estudiante que más tarde escribió un artículo para Scientific American. Este artículo debe haber sido leído por un viajero en el tiempo. Entonces la pregunta es: ¿de dónde viene la información sobre este teorema? No de un viajero en el tiempo, ya que era sólo un lector, pero tampoco del estudiante, que aprendió el teorema del primero. La información aparece de la nada, aparentemente de la nada.
Las inferencias inusuales sobre los viajes en el tiempo han llevado a algunos científicos a descartar la idea por completo. Stephen Hawking, de la Universidad de Cambridge, propuso una "Conjetura de conservación de la cronología" que invalidaría los bucles causales. Como todos sabemos, dado que la teoría de la relatividad permite la existencia de relaciones causales, la protección temporal necesita introducir algunos otros factores para mediar y evitar viajar al pasado. ¿Cuál podría ser este factor? Una propuesta es que los procesos cuánticos resolverán este problema. La existencia de una máquina del tiempo permitiría a las partículas regresar a su pasado. Los cálculos muestran que la perturbación inmediata se fortalece, provocando que la oleada de energía que se escapa de ella provoque el colapso del agujero de gusano.
La protección cronológica sigue siendo sólo una especulación, por lo que el viaje en el tiempo sigue siendo una posibilidad. Una solución final al problema debe prever una combinación exitosa de mecánica cuántica y gravedad, quizás con la ayuda de la teoría de cuerdas o su extensión, la llamada teoría M. Incluso podemos imaginar que la próxima generación de aceleradores de partículas podrá crear agujeros de gusano a escala atómica que puedan existir el tiempo suficiente para que las partículas cercanas realicen ciclos causales cortos. Esto es mucho más profundo de lo que Wells imaginó y cambiaría nuestra realidad física para siempre.
Materiales de referencia:
http://www.our sci.org/magazine/200210/021015.