Por: Juan Rodríguez Vega

Desde el comienzo del universo hasta el día de hoy, es una de las pocas cosas que consideramos regular e inmutable

Observamos la física del tiempo

Al considerar el tiempo, es fácil perderse rápidamente en la complejidad del tema. El tiempo nos rodea, está siempre presente y es la base de cómo registramos la vida en la Tierra. Es la constante que mantiene al mundo, al sistema solar e incluso al universo funcionando.

Las civilizaciones se han levantado y caído, las estrellas han nacido y se han extinguido, y nuestro único método para realizar un seguimiento de cada evento en el universo y en la Tierra ha sido compararlos con el día de hoy con el paso regular del tiempo. ¿Pero es realmente una constante? ¿Es el tiempo realmente tan simple como un movimiento de un segundo al siguiente?

Hace 13,800 millones de años nació el universo, y desde entonces el tiempo ha pasado volando hasta nuestros días, supervisando la creación de galaxias y la expansión del espacio. Pero cuando se trata de comparar el tiempo, es abrumador darse cuenta de lo poco que realmente hemos experimentado.

La Tierra puede tener 4,500 millones de años, pero los humanos modernos la han habitado durante unos 300,000 años, eso es solo el 0.002% de la edad del universo. ¿Te sientes pequeño e insignificante todavía? Se pone peor. Hemos vivido tan poco tiempo en la Tierra que, en términos astronómicos, somos completamente insignificantes.

En el siglo XVII, el físico Isaac Newton vio el tiempo como una flecha disparada desde un arco, viajando en línea recta y sin desviarse nunca de su camino. Para Newton, un segundo en la Tierra era el mismo período de tiempo que ese mismo segundo en Marte, Júpiter o en el espacio profundo. Creía que no se podía detectar el movimiento absoluto, lo que significaba que nada en el universo tenía una velocidad constante, ni siquiera la luz. Al aplicar esta teoría, pudo suponer que, si la velocidad de la luz podía variar, el tiempo debía ser constante. El tiempo debe pasar de un segundo al siguiente, sin diferencia entre la duración de dos segundos. Esto es algo que es fácil pensar que es cierto. Cada día tiene aproximadamente 24 horas; no tienes un día con 26 y otro con 23.

Sin embargo, en 1905, Albert Einstein afirmó que la velocidad de la luz no varía, sino que es una constante, viajando aproximadamente a 186,282 millas por segundo (299,792 kilómetros por segundo). Postuló que el tiempo era más como un río, refluyendo y fluyendo dependiendo de los efectos de la gravedad y el espacio-tiempo. El tiempo se aceleraría y desaceleraría alrededor de cuerpos cosmológicos con diferentes masas y velocidades y, por lo tanto, un segundo en la Tierra no era el mismo período de tiempo en todas partes del universo.

Esto planteó un problema. Si la velocidad de la luz era realmente una constante, entonces tenía que haber alguna variable que se modificara en grandes distancias a través del universo. Con el universo en expansión y los planetas y galaxias moviéndose a una escala galácticamente gigantesca, algo tenía que ceder para permitir estas pequeñas fluctuaciones. Y esta variable tenía que ser el tiempo.

En última instancia, fue la teoría de Einstein la que no solo se creyó que era la verdad, sino que también se demostró que era completamente precisa. En octubre de 1971, dos físicos llamados JC Hafele y Richard Keating se dispusieron a probar su validez. Para hacer esto, volaron cuatro relojes atómicos de cesio en aviones alrededor del mundo, hacia el este y luego hacia el oeste.

Según la teoría de Einstein, en comparación con los relojes atómicos terrestres, en este caso en el Observatorio Naval de EE. UU. En Washington, DC, los relojes aerotransportados de Hafele y Keating serían unos 40 nanosegundos más lentos después de su viaje hacia el este, y unos 275 nanosegundos más rápidos después de viajar. al oeste, debido a los efectos gravitacionales de la Tierra sobre la velocidad de los aviones, según su estudio de 1972 en la revista Science. Increíblemente, los relojes registraron una diferencia al viajar hacia el este y el oeste alrededor del mundo: aproximadamente 59 nanosegundos más lento y 273 nanosegundos más rápido, respectivamente, en comparación con el Observatorio Naval de EE. UU. Esto demostró que Einstein estaba en lo cierto, específicamente con su teoría de la dilatación del tiempo, y que el tiempo efectivamente fluctuaba en todo el universo.

Sin embargo, Newton y Einstein estuvieron de acuerdo en una cosa: que el tiempo avanza. Hasta ahora no hay evidencia de nada en el universo que pueda esquivar el tiempo y avanzar y retroceder a voluntad. En última instancia, todo avanza en el tiempo, ya sea a un ritmo regular o ligeramente deformado si se acerca a la velocidad de la luz. Sin embargo, ¿podemos responder por qué el tiempo avanza? No del todo, aunque hay varias teorías sobre por qué lo hace. Uno de ellos incluye las leyes de la termodinámica, específicamente la segunda ley. Esto establece que todo en el universo quiere pasar de una entropía baja a una alta, o de la uniformidad al desorden, comenzando con la simplicidad en el Big Bang y pasar a la disposición casi aleatoria de las galaxias y sus habitantes en la actualidad. Esto se conoce como la ‘flecha del tiempo’ o, a veces, ‘la flecha del tiempo’, probablemente acuñada por el astrónomo británico Arthur Eddington en 1928, dijo el filósofo analítico Huw Price en Séminaire Poincaré en 2006.

Eddington sugirió que el tiempo no era simétrico: “Si a medida que seguimos la flecha encontramos más y más elementos aleatorios en el estado del mundo, entonces la flecha apunta hacia el futuro; si el elemento aleatorio disminuye, la flecha apunta hacia el pasado”, escribió en “La naturaleza del mundo físico” en 1928. Por ejemplo, si observara una estrella casi uniforme, pero luego la vio explotar como una supernova y convertirse en una nebulosa dispersa, sabría que el tiempo ha pasado de la igualdad al caos.

Otra teoría sugiere que el paso del tiempo se debe a la expansión del universo. A medida que el universo se expande, arrastra el tiempo consigo, ya que el espacio y el tiempo están vinculados como uno solo, pero esto significaría que, si el universo alcanzara un límite teórico de expansión y comenzara a contraerse, el tiempo se revertiría, una pequeña paradoja para los científicos. y astrónomos. ¿Realmente el tiempo retrocederá, con todo, volviendo a una era de simplicidad y terminando con un ‘Big Crunch’? Es poco probable que estemos para averiguarlo, pero podemos postular sobre lo que pensamos que podría suceder.

Es increíble pensar en el progreso que hemos logrado en nuestra comprensión del tiempo durante el siglo pasado. Desde relojes de sol antiguos que cuentan la hora hasta relojes atómicos modernos, incluso podemos seguir el paso de un segundo más de cerca que nunca. El tiempo sigue siendo un tema complejo, pero gracias a los visionarios científicos, nos estamos acercando a descubrir los secretos de esta constante universal no tan constante.

La importancia de la teoría de la relatividad especial de Einstein

La teoría de la relatividad especial de Einstein se basa en un hecho clave: la velocidad de la luz es la misma sin importar cómo se mire. Para poner esto en práctica, imagine que viaja en un automóvil a 32 km / h (20 mph) y pasa junto a un amigo que está parado. Al pasarlos, lanza una pelota frente al automóvil a 10 mph (16 km / h).

Para tu amigo, la velocidad de la pelota se combina con la del automóvil, por lo que parece viajar a 48 km / h (30 mph). Sin embargo, en relación con usted, la bola viaja a solo 10 mph, ya que usted ya viaja a 20 mph.

Ahora imagina el mismo escenario, pero esta vez pasas a tu amigo inmóvil mientras viajas a la mitad de la velocidad de la luz. A través de algún artilugio imaginario, su amigo puede observarlo mientras viaja. Esta vez haces brillar un rayo de luz por el parabrisas del coche.

En nuestro cálculo anterior, sumamos la velocidad de la pelota y el automóvil para averiguar lo que vio su amigo, por lo que, en este caso, ¿ve su amigo el haz de luz viajando a una vez y media la velocidad de la luz?

Según Einstein, la respuesta es no. La velocidad de la luz siempre permanece constante y nada puede viajar más rápido que ella. En esta ocasión, tanto usted como su amigo observan la velocidad de la luz viajando a su valor universalmente acordado a aproximadamente 186,282 millas por segundo. Esta es la teoría de la relatividad especial y es muy importante cuando se habla de tiempo.

Tiempo: la cuarta dimensión del universo

Alguna vez se pensó que el espacio y el tiempo estaban separados, y que el universo era simplemente una variedad de cuerpos cósmicos dispuestos en tres dimensiones. Sin embargo, Einstein introdujo el concepto de una cuarta dimensión, el tiempo, que significaba que el espacio y el tiempo estaban inextricablemente vinculados. La teoría general de la relatividad sugiere que el espacio-tiempo se expande y contrae dependiendo del momento y la masa de la materia cercana. La teoría era sólida, pero todo lo que se necesitaba eran pruebas.

Esa prueba fue cortesía de la sonda Gravity Probe B de la NASA, que demostró que el espacio y el tiempo estaban realmente vinculados. Se apuntaron cuatro giroscopios en la dirección de una estrella distante, y si la gravedad no tuviera un efecto sobre el espacio y el tiempo, permanecerían bloqueados en la misma posición. Sin embargo, los científicos observaron claramente un efecto de ‘arrastre del marco’ debido a la gravedad de la Tierra, lo que significó que los giroscopios se salieron ligeramente de su posición. Esto parece probar que la estructura del espacio en sí puede alterarse, y si el espacio y el tiempo están vinculados, entonces el tiempo mismo puede estirarse y contraerse por la gravedad.

Cuanto es un segundo

Hay dos formas principales de medir el tiempo: tiempo dinámico y tiempo atómico. El primero se basa en el movimiento de los cuerpos celestes, incluida la Tierra, para realizar un seguimiento del tiempo, ya sea el tiempo de rotación de una estrella giratoria distante como un púlsar, el movimiento de una estrella a través de nuestro cielo nocturno o la rotación de la Tierra. Sin embargo, a pesar de que una estrella gira, lo que puede ser difícil de observar, estos métodos no siempre son del todo precisos.

La antigua definición de segundo se basaba en la rotación de la Tierra. Como el sol tarda un día en salir por el este, ponerse por el oeste y volver a salir, un día se dividió casi arbitrariamente en 24 horas, una hora en 60 minutos y un minuto en 60 segundos. Sin embargo, la Tierra no gira de manera uniforme. Su rotación disminuye a un ritmo de unos 30 segundos cada 10,000 años debido a factores como la fricción de las mareas. Los científicos han ideado formas de explicar la velocidad cambiante de la rotación de la Tierra, introduciendo segundos ‘intercalares’, pero para obtener el tiempo más preciso hay que reducirlo aún más.

El tiempo atómico se basa en la transición energética dentro de un átomo de cierto elemento, comúnmente cesio. Al definir un segundo usando el número de estas transiciones, el tiempo se puede medir con una precisión de perder una pequeña porción de un segundo en un millón de años. La definición de un segundo ahora se define como 9,192,631,770 transiciones dentro de un átomo de cesio, informó Scientific American.

Relojes atómicos: la pista del tiempo más precisa

El reloj más preciso del universo probablemente sería una estrella giratoria como un púlsar, pero en la Tierra los relojes atómicos proporcionan la pista más precisa del tiempo. Todo el sistema GPS en órbita alrededor de la Tierra utiliza relojes atómicos para rastrear con precisión las posiciones y transmitir datos al planeta, mientras que los centros científicos completos están configurados para calcular la medida de tiempo más precisa, generalmente midiendo las transiciones dentro de un átomo de cesio.

Si bien la mayoría de los relojes atómicos se basan en campos magnéticos, los relojes modernos utilizan láseres para rastrear y detectar las transiciones de energía dentro de los átomos de cesio y mantener una medida del tiempo más definida. Aunque los relojes de cesio se utilizan actualmente para medir la hora en todo el mundo, los relojes de estroncio prometen el doble de precisión, mientras que un diseño experimental basado en átomos de mercurio cargados podría reducir las discrepancias aún más a menos de 1 segundo perdido o ganado en 400 millones de años.

Fuente:

Jonathan O’Callaghan Revista How It Works