Si alguien nos pregunta que es el tiempo seguramente no sabremos que responder con precisión, la mejor respuesta es aquello de: "Tiempo es lo que pierdo con facilidad", que aunque cierto seguramente no será muy convincente para tu interlocutor.
También se puede decir: "Tiempo es aquello que mide un reloj". Pero esto también da problemas como veremos.
Lo peor de todo es que los físicos tampoco lo tienen muy claro. Y encima, en gravedad cuántica el tiempo se convierte en un problema.
Vamos a intentar entender por qué el tiempo es un problema gordo en una teoría de gravedad cuántica.
Tiempo y Cuántica
En mecánica cuántica el tiempo es sorprendente porque no es ningún observable, no está descrito por ningún operador, pero además juega un papel esencial en la descripción de la física cuántica.
La formulación canónica de la mecánica clásica, la escrita en términos Hamiltonianos, necesita de una coordenada temporal bien definida para poder elegir cuales son las coordenadas y los momentos conjugados. Esto se traduce en la cuántica de forma directa a la hora de elegir las polarizaciones, es decir, elegir las coordenadas o los momentos de los que dependerán las funciones de onda.
Pero ahí no queda todo, en cuántica necesitamos trabajar con funciones de onda normalizadas, es decir cuyo módulo sea la unidad. Pues bien, para normalizar una función de onda hemos de hacerlo a tiempo fijo, y es evidente que para poder fijar el tiempo hemos de tenerlo definido.
Por otro lado, en teoría cuántica de campos (teoría cuántica + relatividad especial + teoría de grupos) el tiempo es imprescindible. En primer lugar, los conmutadores de los campos han de calcularse a tiempo fijo y por otro lado, los operadores evaluados en puntos separados espacialmente han de conmutar ( porque no pueden haber influencias supralumínicas como establece relatividad especial, así que dos medidas realizadas en una separación espacial no se pueden influir). Por lo tanto necesitamos del concepto de tiempo para asegurar que la teoría cuántica de campos es causal (lo que da como predicción la aparición de antimateria por poner un ejemplo consolidado).
Tiempo y Relatividad General
De todos es bien conocido, o eso creo, que la relatividad general no diferencia entre tiempo y espacio. Dado que están permitidas todas las posibles transformaciones coordenadas relatividad general no distingue espacio y tiempo, como si que hace relatividad especial.
Por otro lado la relatividad general se puede poner en un formalismo Hamiltoniano, lo que es sumamente curioso, porque como hemos dicho antes, para definir un Hamiltoniano necesitamos un tiempo definido. ¿Cómo puede ser entonces que RG se pueda poner en términos Hamiltonianos?
La respuesta es controvertida: En relatividad general, el Hamiltoniano no es un verdadero Hamiltoniano, es lo que se conoce como una LIGADURA. Esto quiere decir que es idénticamente nula en las soluciones de las ecuaciones de Einstein. El problema es: ¿Cómo hemos elegido la coordenada temporal? Respuesta: De forma arbitraria, la división entre una dirección temporal y unas superficies tridimensionales espaciales es totalmente arbitraria.
¿Por qué el Hamiltoniano de RG es una ligadura (idénticamente nulo en las soluciones)? La razón se puede buscar en el propio significado usual del Hamiltoniano. La función Hamiltoniana general las traslaciones temporales, es decir pasamos de un t->t+dt. Pero esto en RG se puede considerar como un tipo de transformación de coordenadas y RG ha de ser invariantes frente a transformaciones generales de coordenadas, por tanto en un estricto sentido el Hamiltoniano no hace nada (lo que no quiere decir que no haya dinámica en RG).
Tiempo y Gravedad Cuántica
En gravedad cuántica la propia métrica, que es el elemento que habría de seleccionar una coordenada temporal, es un objeto cuántico sujeto a fluctuaciones. Por lo que una métrica cuántica no puede fijar el tipo de separación entre puntos espaciotemporales, y eso hace que no podamos decir si dos campos están evaluados en puntos separados espacialmente y por tanto no podemos asegurar causalidad en teoría cuántica de campos en un espaciotiempo cuántico.
Otra cuestión es: ¿Si sólo sabemos normalizar las funciones de onda en un tiempo fijo como podríamos normalizar las funciones de onda de un espaciotiempo cuántico? La respuesta es que no se puede, esto se pone de manifiesto en la teoría de Wheeler-deWitt.
Así que al final nos podemos plantear el tema de definir un reloj, ya que tiempo es aquello medido por este instrumento. El problema aquí es que un reloj en RG solo mide tiempo sobre su línea de mundo y no globalmente ( como pasa en el espacio de Minkowski que cada observador define un tiempo global). Para definir un reloj global tendríamos que tener un "fluido" que llenara el espaciotiempo, pero esto causaría una reacción sobre el espaciotiempo y cambiaría la métrica cambiando la definición de tiempo. Al final podríamos intentar crear un reloj cuántico, sin embargo se ha probado que cualquier reloj de este tipo que contenga energía positiva, lo que parece razonable, tiene una probabilidad no nula de "marchar hacia atrás" y otra vez nos impide normalizar funciones de onda. Y si metemos energías negativas las cosas se complican aún más.
También se puede decir: "Tiempo es aquello que mide un reloj". Pero esto también da problemas como veremos.
Lo peor de todo es que los físicos tampoco lo tienen muy claro. Y encima, en gravedad cuántica el tiempo se convierte en un problema.
Vamos a intentar entender por qué el tiempo es un problema gordo en una teoría de gravedad cuántica.
Tiempo y Cuántica
En mecánica cuántica el tiempo es sorprendente porque no es ningún observable, no está descrito por ningún operador, pero además juega un papel esencial en la descripción de la física cuántica.
La formulación canónica de la mecánica clásica, la escrita en términos Hamiltonianos, necesita de una coordenada temporal bien definida para poder elegir cuales son las coordenadas y los momentos conjugados. Esto se traduce en la cuántica de forma directa a la hora de elegir las polarizaciones, es decir, elegir las coordenadas o los momentos de los que dependerán las funciones de onda.
Pero ahí no queda todo, en cuántica necesitamos trabajar con funciones de onda normalizadas, es decir cuyo módulo sea la unidad. Pues bien, para normalizar una función de onda hemos de hacerlo a tiempo fijo, y es evidente que para poder fijar el tiempo hemos de tenerlo definido.
Por otro lado, en teoría cuántica de campos (teoría cuántica + relatividad especial + teoría de grupos) el tiempo es imprescindible. En primer lugar, los conmutadores de los campos han de calcularse a tiempo fijo y por otro lado, los operadores evaluados en puntos separados espacialmente han de conmutar ( porque no pueden haber influencias supralumínicas como establece relatividad especial, así que dos medidas realizadas en una separación espacial no se pueden influir). Por lo tanto necesitamos del concepto de tiempo para asegurar que la teoría cuántica de campos es causal (lo que da como predicción la aparición de antimateria por poner un ejemplo consolidado).
Tiempo y Relatividad General
De todos es bien conocido, o eso creo, que la relatividad general no diferencia entre tiempo y espacio. Dado que están permitidas todas las posibles transformaciones coordenadas relatividad general no distingue espacio y tiempo, como si que hace relatividad especial.
Por otro lado la relatividad general se puede poner en un formalismo Hamiltoniano, lo que es sumamente curioso, porque como hemos dicho antes, para definir un Hamiltoniano necesitamos un tiempo definido. ¿Cómo puede ser entonces que RG se pueda poner en términos Hamiltonianos?
La respuesta es controvertida: En relatividad general, el Hamiltoniano no es un verdadero Hamiltoniano, es lo que se conoce como una LIGADURA. Esto quiere decir que es idénticamente nula en las soluciones de las ecuaciones de Einstein. El problema es: ¿Cómo hemos elegido la coordenada temporal? Respuesta: De forma arbitraria, la división entre una dirección temporal y unas superficies tridimensionales espaciales es totalmente arbitraria.
¿Por qué el Hamiltoniano de RG es una ligadura (idénticamente nulo en las soluciones)? La razón se puede buscar en el propio significado usual del Hamiltoniano. La función Hamiltoniana general las traslaciones temporales, es decir pasamos de un t->t+dt. Pero esto en RG se puede considerar como un tipo de transformación de coordenadas y RG ha de ser invariantes frente a transformaciones generales de coordenadas, por tanto en un estricto sentido el Hamiltoniano no hace nada (lo que no quiere decir que no haya dinámica en RG).
Tiempo y Gravedad Cuántica
En gravedad cuántica la propia métrica, que es el elemento que habría de seleccionar una coordenada temporal, es un objeto cuántico sujeto a fluctuaciones. Por lo que una métrica cuántica no puede fijar el tipo de separación entre puntos espaciotemporales, y eso hace que no podamos decir si dos campos están evaluados en puntos separados espacialmente y por tanto no podemos asegurar causalidad en teoría cuántica de campos en un espaciotiempo cuántico.
Otra cuestión es: ¿Si sólo sabemos normalizar las funciones de onda en un tiempo fijo como podríamos normalizar las funciones de onda de un espaciotiempo cuántico? La respuesta es que no se puede, esto se pone de manifiesto en la teoría de Wheeler-deWitt.
Así que al final nos podemos plantear el tema de definir un reloj, ya que tiempo es aquello medido por este instrumento. El problema aquí es que un reloj en RG solo mide tiempo sobre su línea de mundo y no globalmente ( como pasa en el espacio de Minkowski que cada observador define un tiempo global). Para definir un reloj global tendríamos que tener un "fluido" que llenara el espaciotiempo, pero esto causaría una reacción sobre el espaciotiempo y cambiaría la métrica cambiando la definición de tiempo. Al final podríamos intentar crear un reloj cuántico, sin embargo se ha probado que cualquier reloj de este tipo que contenga energía positiva, lo que parece razonable, tiene una probabilidad no nula de "marchar hacia atrás" y otra vez nos impide normalizar funciones de onda. Y si metemos energías negativas las cosas se complican aún más.
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