Observan por primera vez cómo se forma la flecha del tiempo

Los científicos han observado por primera vez cómo se forma la flecha del tiempo que conduce del pasado hacia el futuro: se arma por piezas, como un puzzle, a partir de las interacciones entre neuronas oculares. Y se intensifica con la aleatoriedad para alinearla con nuestra percepción de la danza de la realidad.

Sabemos positivamente que los procesos naturales avanzan siempre del pasado al futuro pasando por el presente, pero nunca al revés. A esa característica de la naturaleza la llamamos “flecha del tiempo”.

La expresión flecha del tiempo fue acuñada en 1927 por el astrónomo británico Arthur Eddington para describir esa propiedad unidireccional del tiempo, que no tiene su equivalente en el espacio.

Para Eddington, la flecha del tiempo es una propiedad exclusiva de la entropía, la magnitud física que mide el grado de organización de un sistema termodinámico en equilibrio y describe su irreversibilidad.

La existencia de la flecha del tiempo se desprende de la segunda ley de la termodinámica, según la cual la entropía o el desorden tienden a aumentar con el tiempo en un sistema cerrado. Cuanto más desordenado se vuelve un sistema, más difícil le resulta encontrar el camino de regreso a un estado ordenado, y más fuerte es la flecha del tiempo.

Flecha de la vida

Esa ley explica por qué el calor fluye espontáneamente del calor al frío, pero no al revés. Si ponemos sobre la mesa una taza de café recién hecho, se enfriará y ese proceso es irreversible, a no ser que lo recalentemos: los procesos termodinámicos no son simétricos respecto al tiempo. Ocurren en una sola dirección, siendo reversibles solo a mayor costo de energía.

Esta flecha del tiempo es fundamental para la vida: los seres vivos son sistemas termodinámicamente abiertos que intercambian materia y energía con el mundo exterior para adquirir y mantener estructuras que, a su vez, son susceptibles de evolucionar a lo largo del tiempo.

La Tierra también es un sistema abierto porque recibe energía del Sol. Asimismo lo es el sistema solar, porque está dentro de una galaxia que recibe energía de otros sistemas vecinos. La flecha del tiempo, por tanto,  está presente por el universo: todo lo que ocurre avanza desde el pasado hacia el futuro.

Sin embargo, la flecha del tiempo no es un concepto absoluto, sino relativo: los sistemas cuánticos pueden avanzar a lo largo de dos flechas de tiempo opuestas, tanto hacia adelante como hacia atrás en el tiempo. Eso significa que, en la mecánica cuántica, el tiempo puede ir tanto hacia adelante como hacia atrás.

Pasado y futuro

Lo comprobó en 2015 un experimento realizado por Kater Murch en la Universidad de Washington en St. Louis (Missouri, USA): calculando 'hacia atrás' las probabilidades de que un sistema cuántico esté en un estado concreto de dos posibles, descubrió una probabilidad de acierto del 90%, frente al 50% que se considera normal. Este experimento sugiere que los sistemas cuánticos contienen información sobre el futuro, al igual que sobre el pasado.

La paradoja es que si, por un lado, la flecha del tiempo se diluye en el universo de lo infinitamente pequeño, por otro lado es precisamente en ese mundo donde se forma: surge de las interacciones entre las partículas microscópicas y las células.

Este origen representa un misterio que investigadores de la Iniciativa para las Ciencias Teóricas (ITS), del Centro de Graduados de la ciudad de Nueva York (CUNY), están ayudando a desentrañar con la publicación de un nuevo artículo en la revista Physical Review Letters.

Sus  hallazgos brindan el primer paso hacia la comprensión de cómo la flecha del tiempo que experimentamos en la vida diaria emerge de estos detalles microscópicos. Esos detalles podrían tener implicaciones importantes en una variedad de disciplinas, incluidas la física, la neurociencia y la biología, destaca el ITS  en un comunicado.

Descomponiendo la flecha

"Las dos preguntas que tenía nuestro equipo eran, si observábamos un sistema en particular, ¿podríamos cuantificar la fuerza de su flecha del tiempo, y seríamos capaces de resolver cómo emerge de la escala micro, donde las células y las neuronas interactúan con todo el sistema?”, explica al respecto Christopher Lynn, primer autor del artículo que informa de esta investigación.

Para responder a estas preguntas, los investigadores exploraron cómo se podría descomponer la flecha del tiempo al observar partes específicas de un sistema y las interacciones entre ellas.

Las partes, por ejemplo, podrían ser las neuronas que funcionan dentro de una retina. Mirando un solo momento de ese proceso, demostraron que la flecha del tiempo se puede dividir en diferentes piezas: las producidas por partes que trabajan individualmente, en parejas, en tripletes (secuencias de tres nucleótidos del ARNm) o en configuraciones aún más complejas.

Armados con esta forma de descomponer la flecha del tiempo, los investigadores analizaron experimentos existentes sobre la respuesta de las neuronas en la retina de una salamandra a diferentes películas.

Pares de neuronas

En una película, un solo objeto se movía aleatoriamente por la pantalla, mientras que la otra mostraba toda la complejidad de las escenas que se encuentran en la naturaleza.

En ambas películas, los investigadores descubrieron que la flecha del tiempo surgió de las interacciones simples entre pares de neuronas, no de grupos grandes y complicados de células nerviosas.

Sorprendentemente, el equipo también observó que la retina mostraba una flecha de tiempo más fuerte cuando observaba un movimiento aleatorio, en vez de una escena natural.

Lynn dice que este último hallazgo sugiere que merced a esta tonificación nuestra percepción interna de la flecha del tiempo se alinea con el impredecible mundo externo, que en ocasiones se ha llamado la danza de la realidad.

Múltiples aplicaciones

Y añade: "estos resultados pueden ser de particular interés para los investigadores de neurociencias. Podrían, por ejemplo, conducir a respuestas sobre si la flecha del tiempo funciona de manera diferente en los cerebros que son neuroatípicos".

Otra derivada de este hallazgo es que esta descomposición de la flecha del tiempo es un marco general elegante que puede proporcionar una perspectiva novedosa para explorar sistemas de muchas dimensiones y alejados del equilibrio (tal como llamó Prigogine a los sistemas abiertos), concluye David Schwab, profesor de Física y Biología en el Graduate Center e investigador principal de este estudio.

Referencia

Decomposing the local arrow of time in interacting systems. Christopher W. Lynn et al. Physical Review Letters, 2022. (Accepted Paper). En Arxiv: arxiv.org/abs/2112.14721v1