La dirección del tiempo se vuelve confusa a escala de una sola molécula

El concepto de tiempo es para nosotros muy intuitivo, y fácilmente distinguimos el pasado del presente o del futuro. No ha sido tan sencillo para los pensadores. En la Edad Antigua ya encontramos las primeras reflexiones humanas sobre el tiempo. Platón, por ejemplo, decía que el tiempo es la imagen móvil de la eternidad. Posteriormente, Newton lo describió como algo absoluto, verdadero y matemático, que transcurre uniformemente. En los años veinte del siglo pasado, Einstein llegó a considerarlo como una mera ilusión.

Estas ideas reflejan la inmensa complejidad que supone el tiempo, tema que ha sido objeto de reflexión para muchos filósofos y de investigación para muchos científicos. Son precisamente los científicos los que, ahora, tratan de solventar el hecho de que la ciencia aún no proporcione una definición clara de lo que es el tiempo.

Edward Feng, ingeniero químico de la Universidad de California en Berkeley, y Gavin Crooks, físico del Lawrence Berkeley National Laboratory explican en un artículo aparecido en la revista Physical Review Letters que “las teorías fundamentales de la física –la mecánica clásica, la electrodinámica, la mecánica cuántica, la relatividad general, etc.- son simétricas al respecto de la inversión del tiempo”(esto es, que el pasado, el presente y el futuro no difieren para ellas).

Según Crooks y Feng, “la única teoría científica fundamental que marca una dirección preferente para el tiempo es la de la segunda ley de la termodinámica, que asevera que la entropía del Universo aumenta a medida que el tiempo fluye hacia el futuro (la entropía es la cantidad de energía no disponible de un sistema)”.

Procesos sin vuelta atrás

Esta explicación proporciona una orientación, una flecha del tiempo. Nuestra percepción de éste sería, por tanto, una consecuencia directa de la flecha temporal termodinámica.

A grandes rasgos, la termodinámica es una rama de la física que estudia los efectos de la temperatura, presión y volumen de los sistemas físicos a un nivel macroscópico. La cantidad de entropía de cualquier sistema aislado termodinámicamente tiende a aumentar con el tiempo. Por ejemplo, una gota de tinta dispersada en el agua no dará «marcha atrás» en su movimiento y no volverá a recogerse en su volumen inicial.

En definitiva, el tiempo tiene para esta ley una orientación definida. Según los científicos, que la entropía del universo aumente con el tiempo supone que existe una dirección, una flecha del tiempo, una asimetría temporal (que permite distinguir el pasado del futuro: la gota de tinta en su volumen inicial y la gota de tinta dispersada en agua) que se corresponde con nuestra propia percepción del tiempo.

Entropía a nivel microscópico

Esto está claro a nivel macroscópico. Tal y como ejemplariza la revista Physorg.com, cuando se derrama un vaso de leche, la asimetría temporal es obvia para cualquier observador: primero el vaso estaba lleno de leche y después vacío.

Sin embargo, a escala microscópica, dado que la cantidad de energía implicada en los procesos es tan pequeña, resulta más difícil afirmar que la entropía está aumentando, y que por lo tanto el tiempo se mueve “hacia delante” (hacia el futuro), en lugar de hacia atrás (hacia el pasado).

Feng y Crooks afirman haber creado un método para medir con exactitud la asimetría temporal de lo microscópico. De hecho han comprobado que, a escala microscópica y durante algunos intervalos, la entropía puede disminuir realmente. Y que, aunque la entropía general se incremente como media, en cada uno de los momentos del experimento esto no sucede, es decir, que no siempre el tiempo tiene una dirección clara: del pasado al presente, del presente al futuro.

Para estudiar el tiempo a escala minúscula, los científicos empezaron investigando el incremento de la disipación de energía (entropía) en diversas distribuciones. Y descubrieron que, durante algunos intervalos, la entropía realmente se reducía.

Incluso aunque existiese un aumento medio de la entropía, la dirección del tiempo no resultó evidente en cada momento del experimento, es decir, que la asimetría temporal no estaba asegurada, sino que algunas disposiciones presentaron un tiempo simétrico (que no diferencia el presente del pasado o el futuro). «Mientras el tiempo avanza descaradamente en el mundo macroscópico, la dirección del tiempo se vuelve confusa a escala de una única molécula», resumió Feng.

Posibles aplicaciones

Además del interés teórico que sin duda tiene esta investigación, el método ideado por Feng y Crooks podría tener otras aplicaciones, como calcular las diferencias de energía libre en experimentos con sistemas alejados del equilibrio.

Los científicos explican que comprender la relación entre la asimetría temporal y la entropía también resultaría crucial para el desarrollo de futuras máquinas moleculares. «Nuestra definición resalta esta peculiaridad. Esperamos que esto sirva a los científicos a la hora de estudiar moléculas biológicas”, señala Feng.