Uno de los mayores misterios de nuestra existencia es también uno de los mayores misterios de la física: el tiempo.

Experimentamos el tiempo como un paso, con un momento especial que llamamos “ahora”. Ahora estás viendo este video, hace media hora estabas haciendo otra cosa.

Lo que sea que hayas hecho, no hay manera de cambiarlo. Y lo que harás en media hora depende de ti. Al menos así es como percibimos el tiempo.

Pero lo que nos dice la física sobre el tiempo es muy diferente de nuestra percepción.

La persona que descubrió esto no fue otro que Albert Einstein. Lo sé. Ese chico otra vez. Resulta que él lo sabía todo. ¿Qué nos enseñó Einstein sobre el pasado, el presente y el futuro?

De eso hablaremos hoy. El tema del que estamos hablando hoy se cubre con más detalle en mi nuevo libro "Física Existencial" que se publicará en agosto.

Puede encontrar más información sobre el libro en existentialphysics.com. Pensamos en el tiempo como algo que funciona de la misma manera para todos y para todos los objetos.

Si pasa un segundo para mí, pasa un segundo para ti y pasa un segundo para las nubes de arriba. Esto hace que el tiempo sea un parámetro universal. Este parámetro etiqueta cuánto tiempo pasa y también lo que todos queremos decir con "ahora".

Hermann Minkowski fue el primero en darse cuenta de que esto puede no ser del todo correcto. Se dio cuenta de que las ecuaciones electrodinámicas de Maxwell tienen mucho más sentido si uno trata el tiempo como una dimensión, no como un parámetro.

Al igual que una pelota no cambia si giras una dirección del espacio hacia otra, las ecuaciones de Maxwell no cambian si giras una dirección del espacio hacia el tiempo.

Entonces, dijo Minkowski, simplemente combinamos el espacio con el tiempo en un espacio-tiempo de 4 dimensiones, y luego podemos rotar el espacio en el tiempo, al igual que podemos rotar dos direcciones del espacio entre sí.

Y eso explica naturalmente por qué las ecuaciones de Maxwell tienen la simetría que tienen.

No tiene nada que ver con los campos eléctricos y magnéticos, proviene de las propias propiedades del espacio y el tiempo.

No puedo dibujar una flor, y mucho menos cuatro dimensiones, pero puedo manejar dos líneas rectas, una para el tiempo y la otra para al menos una dimensión del espacio.

Esto se llama un diagrama de espacio-tiempo. Si te quedas quieto, entonces tu movimiento en dicho diagrama es una línea recta vertical.

Si te mueves a una velocidad constante, tu movimiento es una línea recta inclinada en algún ángulo.

Entonces, si cambias la velocidad, giras en el espacio-tiempo. La velocidad máxima a la que te puedes mover es la velocidad de la luz, que por convención suele dibujarse en un ángulo de 45 grados.

En el espacio podemos ir adelante-atrás, izquierda-derecha o arriba-abajo. Con el tiempo, solo podemos avanzar, no podemos hacer un cambio de sentido, y tampoco hay caminos de entrada para giros de tres puntos incómodos.

Así que el tiempo sigue siendo diferente del espacio en algún aspecto. Pero ahora que el tiempo también es una dimensión, está claro que es solo una etiqueta para las coordenadas, no tiene nada de universal.

Hay muchas formas de poner etiquetas en un espacio bidimensional porque puedes elegir tus ejes como quieras.

Lo mismo es el caso ahora en el espacio-tiempo. Una vez que haya convertido el tiempo en una dimensión, las etiquetas no significan mucho.

Entonces, ¿cuál es entonces el tiempo del que hablamos? ¿Qué significa siquiera que el tiempo es una dimensión?

¿Existen otras dimensiones sobrenaturales? ¿Eso podría explicar los sonidos extraños que has estado escuchando por la noche?

No, ese es un problema aparte, me temo que no puedo ayudarte.

Fue Albert Einstein quien entendió lo que esto significa. Si también queremos entenderlo, necesitamos cuatro supuestos. La velocidad de la luz en el vacío es finita, siempre es la misma, nada puede ir más rápido que la velocidad de la luz y todos los puntos de vista de los observadores son igualmente válidos.

Esto formó la base de la teoría de la relatividad especial de Einstein. Ah, y además, los observadores no tienen por qué existir. Quiero decir, esto es física teórica, así que estamos hablando básicamente de observadores teóricos.

Entonces, si pudiera haber un observador con cierto punto de vista, entonces ese punto de vista es igualmente válido como el tuyo.

¿Quién o qué es un observador? ¿Es una hormiga un observador? ¿Un árbol? ¿Qué tal un delfín? ¿Qué necesitas observar para merecer ser llamado observador y con qué tienes que observar?

Lo creas o no, en realidad hay bastante discusión sobre esto en la literatura científica. Dejaremos de lado esta interesante discusión y usaremos la palabra "observador" de la misma manera que lo hizo Einstein, que es un sistema de coordenadas.

Verá, es un sistema de coordenadas que un observador teórico podría usar, delfín o de otra manera.

Sí, tal vez no sea exactamente lo que el FBI cree que es un observador, pero si fue lo suficientemente bueno para Einstein, será lo suficientemente bueno para nosotros.

Entonces, la suposición de Einstein básicamente significa que cualquier sistema de coordenadas debería ser tan bueno como cualquier otro para describir la realidad física.

Estas cuatro suposiciones suenan bastante inocentes al principio, pero tienen profundas consecuencias. Comencemos con el primero y el tercero: la velocidad de la luz es finita y nada va más rápido que la luz.

Probablemente esté viendo este video en una pantalla, un teléfono o una computadora portátil.

A menos que seas del futuro viendo este video como un holograma en tu casa espacial, voy a asumir que la respuesta es sí. Pero un físico podría señalar que en realidad no lo sabes, porque la luz que emite la pantalla ahora aún no te ha llegado.

Además, si eres del futuro viendo esto como un holograma, asegúrate de mirarme desde la derecha. Es mi lado bueno.

Tal vez tengas el teléfono en la mano, pero las señales nerviosas son ridículamente lentas en comparación con la luz.

Si no pudieras ver tu mano y alguien te arrebatara el teléfono, la información de que el teléfono se ha ido tardaría varios microsegundos en llegar a tu cerebro.

Entonces, ¿cómo sabes que tu teléfono está allí ahora? Una forma de responder a esta pregunta es decir: bueno, no sabes, y realmente no sabes que existe algo ahora, aparte de tus propios pensamientos.

Pienso, luego existo, como resumió Descartes.

Esto no está mal, volveré sobre esto más tarde, pero no es así como la gente normal usa la palabra "ahora".

Hablamos de cosas que suceden "ahora" todo el tiempo, y nunca nos preocupamos por cuánto tiempo tarda la luz en viajar.

¿Por qué no podemos ponernos de acuerdo en algún "ahora" y seguir adelante? Quiero decir, piensa en ese diagrama de espacio-tiempo.

Claramente, esta línea plana es "ahora", así que pongámonos de acuerdo en esto y sigamos adelante.

De acuerdo, pero si esto va a ser física en lugar de solo un diagrama, debe idear un procedimiento operativo para determinar qué queremos decir con "ahora". Tienes que encontrar una manera de medirlo .

Einstein hizo exactamente eso en lo que llamó Gedankenexperiment, un "experimento mental". Dijo, supón que colocas un espejo a tu derecha y otro a tu izquierda. Tú y los espejos están a una distancia fija entre sí, por lo que en el diagrama de espacio-tiempo se ve así.

Envías un fotón a la izquierda y otro a la derecha, y te aseguras de que ambos fotones te dejen al mismo tiempo.

Luego esperas a ver si los fotones regresan al mismo tiempo. Si no lo hacen, ajustas tu posición hasta que lo hagan. Ahora recuerda la segunda suposición de Einstein, la velocidad de la luz es siempre la misma.

Esto significa que si puede enviar fotones a ambos espejos y regresan al mismo tiempo, entonces debe estar exactamente en el medio entre los espejos.

El paso final es entonces decir que exactamente en la mitad del tiempo que tardan los fotones en regresar, sabes que deben estar rebotando en el espejo.

Podrías decir “ahora” en el momento adecuado aunque la luz de allí no te haya llegado todavía.

Parece que has encontrado una manera de construir "ahora".

Pero aquí está el problema. Suponga que tiene un amigo que vuela a una velocidad constante, tal vez en una nave espacial.

Su nombre es Alice, es mucho más genial que tú y no tienes idea de por qué aceptó ser tu amiga.

Pero aquí está ella, acelerando en su nave espacial de izquierda a derecha. Como vimos antes, en tu diagrama de espacio-tiempo, Alice se mueve en una línea recta inclinada.

Ella hace exactamente lo mismo que tú, coloca espejos a ambos lados, envía fotones y espera a que regresen, y luego dice que cuando ha pasado la mitad del tiempo, ese es el momento en que los fotones golpean los espejos.

Excepto que esto claramente no está bien desde su punto de vista. Debido a que los espejos a su derecha están en la dirección de su vuelo, la luz tarda más en llegar que a los espejos de la izquierda, que se mueven hacia la luz.

Diría que el fotón que va hacia la izquierda claramente golpea primero al espejo porque el espejo viene hacia él.

Desde tu perspectiva, ella simplemente no se da cuenta porque cuando los fotones regresan a Alice, sucede exactamente lo contrario. El fotón procedente de la izquierda tarda más en volver, por lo que el efecto neto se cancela.

Lo que Alice dice que sucede "ahora" claramente no es lo que crees que sucede "ahora".

Para Alice, por otro lado, tú eres el que se mueve en relación con ella. Y ella piensa que su noción de “ahora” es correcta y la tuya es incorrecta.

Entonces, ¿quién tiene razón? Probablemente Alice, se podría decir. Porque ella es mucho más genial que tú.

Ella es dueña de una nave espacial, después de todo. Quizás. Pero preguntémosle a Einstein.

Aquí es donde entra en juego la cuarta suposición de Einstein. Los puntos de vista de todos los observadores son igualmente válidos.

Así que ambos tienen razón. O, dicho de otro modo, la noción de “ahora” depende del observador, es “observador-dependiente” como dicen los físicos.

Tu “ahora” no es lo mismo que mi “ahora”.

Si te gustan los términos técnicos, esto también se llama la relatividad de la simultaneidad. Estos desajustes en lo que los diferentes observadores piensan que sucede "ahora" son extremadamente pequeños en la vida cotidiana.

Solo se vuelven perceptibles cuando las velocidades relativas están cerca de la velocidad de la luz, por lo que normalmente no las notamos.

Si tú y yo hablamos de quién llamó a la puerta en este momento, no nos malinterpretaremos.

Sin embargo, si nos hubiésemos movido casi a la velocidad de la luz, referirnos a “ahora” sería muy confuso.

Esto ya es bastante alucinante, pero espera, se vuelve más salvaje. Echemos un vistazo a los diagramas de espacio-tiempo de nuevo.

Ahora tomemos *cualesquiera* dos eventos que no estén causalmente conectados. Esto solo significa que si quisiera enviar una señal de uno a otro, la señal tendría que ir más rápido que la luz, por lo que no es posible enviar señales de uno a otro.

Esquemáticamente, esto significa que si conectas los dos eventos, la línea tiene un ángulo de menos de 45 grados con respecto a la horizontal.

La construcción anterior con los espejos muestra que para cualquiera de estos dos eventos siempre hay algún observador para quien esos dos eventos suceden al mismo tiempo. Solo tienes que imaginar que los espejos vuelan a través de los eventos y el observador vuela directamente en el medio.

Y luego ajustas la velocidad hasta que los fotones golpean ambos eventos al mismo tiempo.

Bien, dos eventos causalmente desconectados ocurren simultáneamente para algún observador. Ahora tome dos eventos cualesquiera que estén causalmente conectados, como comer demasiado queso en la cena y luego sentirse terrible a la mañana siguiente.

Encuentre algún evento que no esté conectado causalmente con ninguno de los dos.

Digamos que este evento es una supernova que se dispara en una galaxia distante. Entonces siempre hay observadores para quienes la supernova y tu cena de queso son simultáneos, y hay observadores para quienes la supernova y tu mañana siguiente son simultáneos.

Entonces vamos a poner todos esos juntos. Si se siente cómodo diciendo que algo, cualquier cosa, existe “ahora” que no está aquí, entonces, de acuerdo con la cuarta suposición de Einstein, este debe ser el caso para todos los observadores.

Pero si todos los eventos que crees que suceden “ahora” existen y todos los demás observadores dicen los eventos que suceden al mismo tiempo que esos eventos, entonces todos los eventos existen “ahora”.

Otra forma de decirlo es que todos los tiempos existen de la misma manera.

Esto se llama el "universo de bloque". Está justo ahí. No surge, no cambia. Simplemente se sienta allí.

Si le resulta algo difícil de aceptar, existe otra posibilidad de combinar consistentemente una noción de existencia con la Relatividad Especial de Einstein. Todo lo que acabo de decir proviene de asumir que estás dispuesto a decir que algo existe ahora aunque no puedas verlo o experimentarlo de ninguna manera.

Si estás dispuesto a decir que sólo existen las cosas que están ahora y aquí, entonces no obtienes un universo de bloque.

Pero tal vez eso es aún más difícil de aceptar.

Otra opción es simplemente inventar una noción de "existencia" y definirla como una porción particular en el espacio-tiempo para cada momento en el tiempo. Esto se llama "rebanar", pero desafortunadamente no tiene nada que ver con la pizza.

Si tuviera alguna consecuencia observable, eso contradiría la cuarta suposición que hizo Einstein. Así que está en conflicto con la Relatividad Especial y dado que esta teoría está extremadamente bien confirmada experimentalmente, esto significaría casi con certeza que la idea está en conflicto con la observación.

Pero si solo quiere definir un "ahora" que no tenga consecuencias observables, puede hacerlo. Aunque no estoy seguro de por qué querrías hacerlo.

La mecánica cuántica no cambia nada sobre el universo de bloques porque sigue siendo compatible con la Relatividad Especial. La actualización de la medición de la función de onda, de la que hablé en este video anterior, ocurre más rápido que la velocidad de la luz.

Si pudiera observarse, podría usarlo para definir una noción de simultaneidad. Pero no se puede observar, así que no hay contradicción.

Algunas personas han argumentado que, dado que la mecánica cuántica es indeterminista, el futuro no puede existir ya en el universo de bloques y que, por lo tanto, también debe haber un momento especial de "ahora" que divide el pasado del futuro.

Y tal vez eso es así. Pero incluso si ese fuera el caso, el argumento anterior todavía se aplica al pasado.

Entonces, sí, es verdad. Por lo que sabemos actualmente, el pasado existe de la misma manera que el presente.

Entonces pensaste que este es un video sobre la relatividad especial, pero luego he estado hablando nuevamente sobre la mecánica cuántica.

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Me divertí mucho trabajando con el equipo de Brilliant en esto y espero que ustedes también lo disfruten. Para apoyar este canal y obtener más información sobre Brilliant, vaya a Brilliant.

Does the Past Still Exist?

As simple as possible, but not any simpler! Science and technology updates and summaries. No hype, no spin, no tip-toeing around inconvenient truths. News each Wednesday, new topical video each Saturday.

Sabine Hossenfelder has a PhD in physics. She is author of the books "Lost in Math: How Beauty Leads Physics Astray" (Basic Books, 2018) and "Existential Physics: A Scientist's Guide to Life's Biggest Questions" (Viking, 2022).


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