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PhysicsFísica
Why does time only move forward?¿Por qué el tiempo solo avanza hacia adelante?
The laws of physics barely care which way time runs. Eggs, coffee and memories do. The difference comes down to entropy, probability and a very special beginning.A las leyes de la física casi no les importa hacia dónde corre el tiempo. A los huevos, al café y a los recuerdos, sí. La diferencia está en la entropía, la probabilidad y un comienzo muy especial.
Drop an egg and it shatters. Play the video backwards and everyone laughs, because the shell pieces jumping up and sealing themselves around the yolk is something nobody has ever seen. Milk swirls into coffee and never un-swirls. We remember yesterday, never tomorrow.
And yet, almost every fundamental law of physics works just as well in reverse. Run Newton's laws, Maxwell's equations of electromagnetism or the equations of quantum mechanics backwards in time and you get motion that is perfectly allowed. There is one tiny exception in the weak nuclear force, but it plays no role in breaking eggs. So where does the direction of time come from?
Counting the ways
The answer starts with a quantity called entropy. In the 1870s the Austrian physicist Ludwig Boltzmann gave it a beautifully simple meaning: entropy measures how many different microscopic arrangements of atoms look the same from the outside.
S = k log W
Here W is the number of arrangements and k is a constant of nature now named after Boltzmann. The formula is engraved on his tombstone in Vienna.
Think of a deck of cards. There is exactly one arrangement in perfect order, but there are about 8 × 1067 ways to order 52 cards, and almost all of them look like a random shuffle. Ordered states are rare; disordered ones are overwhelmingly common. An intact egg is like the ordered deck. A splattered one is like any of the countless shuffles.
Why entropy grows
Atoms are constantly jostling, so a system keeps wandering from one arrangement to another. If you start in a rare, ordered arrangement, nearly every step leads to a more common, more disordered one, simply because there are so many more of them. That is the second law of thermodynamics: the entropy of an isolated system tends to increase.
The law is statistical, not absolute. Nothing forbids all the air in your room from gathering in one corner. But a room holds roughly 1027 molecules, and the chance of that happening is about one in 10300,000,000,000,000,000,000,000,000. You could wait billions of times the age of the universe and never see it.
The puzzle of the past
Here is the catch. The same statistical reasoning, applied backwards, predicts that entropy should also have been higher in the past. It wasn't. The egg in your fridge, the coffee you just brewed and every star in the sky are all surprisingly ordered.
The resolution is that our universe began in an extraordinarily low-entropy state. The philosopher David Albert called this assumption the Past Hypothesis. Shortly after the Big Bang, matter was hot and almost perfectly smooth. That sounds disordered, but when gravity is involved, smoothness is a very special, low-entropy condition: matter can gain enormous entropy by clumping into stars and galaxies. Ever since, the universe has been rolling down that slope, and everything that happens, from burning stars to living cells to cooling coffee, rides along with it.
Why we remember the past
The same idea explains memory. A footprint, a photograph or a neural memory is a record: an ordered trace left by an event. Records can only form while entropy is rising, so they always point toward the lower-entropy past. That is why we have memories of yesterday and only guesses about tomorrow.
What we still don't know
Physics explains why entropy rises once you start from a low-entropy beginning. It does not yet explain why the universe began that way. Some cosmologists look to the theory of cosmic inflation, others to ideas about what came before the Big Bang. The question remains open, and it is one of the deepest in science.
Si deja caer un huevo, se rompe. Si pasa el video al revés, todos se ríen, porque nadie ha visto jamás los pedazos de cáscara saltar hacia arriba y cerrarse alrededor de la yema. La leche se mezcla con el café y nunca se separa sola. Recordamos el ayer, nunca el mañana.
Y sin embargo, casi todas las leyes fundamentales de la física funcionan igual de bien al revés. Si se aplican hacia atrás en el tiempo las leyes de Newton, las ecuaciones de Maxwell del electromagnetismo o las ecuaciones de la mecánica cuántica, se obtienen movimientos perfectamente permitidos. Hay una pequeñísima excepción en la fuerza nuclear débil, pero no tiene nada que ver con que los huevos se rompan. Entonces, ¿de dónde sale la dirección del tiempo?
Contar las maneras
La respuesta empieza con una magnitud llamada entropía. En la década de 1870, el físico austríaco Ludwig Boltzmann le dio un significado de una sencillez admirable: la entropía mide cuántas disposiciones microscópicas distintas de los átomos se ven iguales desde afuera.
S = k log W
Aquí W es el número de disposiciones y k es una constante de la naturaleza que hoy lleva el nombre de Boltzmann. La fórmula está grabada en su tumba en Viena.
Piense en un mazo de cartas. Hay una sola forma de tenerlo perfectamente ordenado, pero existen unas 8 × 1067 maneras de ordenar 52 cartas, y casi todas parecen una mezcla al azar. Los estados ordenados son raros; los desordenados, abrumadoramente comunes. Un huevo intacto es como el mazo ordenado. Uno roto es como cualquiera de las incontables mezclas.
Por qué crece la entropía
Los átomos se agitan sin parar, así que un sistema pasa constantemente de una disposición a otra. Si parte de una disposición rara y ordenada, casi cualquier paso lo lleva a una más común y desordenada, simplemente porque hay muchísimas más. Eso es la segunda ley de la termodinámica: la entropía de un sistema aislado tiende a aumentar.
La ley es estadística, no absoluta. Nada prohíbe que todo el aire de su habitación se junte en un rincón. Pero una habitación contiene unas 1027 moléculas, y la probabilidad de que eso ocurra es de alrededor de una en 10300 000 000 000 000 000 000 000 000. Podría esperar miles de millones de veces la edad del universo sin verlo.
El enigma del pasado
Aquí está la trampa. El mismo razonamiento estadístico, aplicado hacia atrás, predice que la entropía también debió ser mayor en el pasado. No lo fue. El huevo de su nevera, el café recién hecho y cada estrella del cielo están sorprendentemente ordenados.
La solución es que nuestro universo comenzó en un estado de entropía extraordinariamente baja. El filósofo David Albert llamó a este supuesto la hipótesis del pasado. Poco después del Big Bang, la materia estaba caliente y era casi perfectamente uniforme. Eso suena desordenado, pero cuando interviene la gravedad, la uniformidad es una condición muy especial, de baja entropía: la materia puede ganar una enorme entropía al agruparse en estrellas y galaxias. Desde entonces, el universo ha ido bajando por esa pendiente, y todo lo que ocurre, desde las estrellas que arden hasta las células vivas y el café que se enfría, va montado sobre ella.
Por qué recordamos el pasado
La misma idea explica la memoria. Una huella, una fotografía o un recuerdo en el cerebro son registros: rastros ordenados que deja un suceso. Los registros solo pueden formarse mientras la entropía aumenta, así que siempre apuntan hacia el pasado, de menor entropía. Por eso tenemos recuerdos del ayer y solo conjeturas sobre el mañana.
Lo que todavía no sabemos
La física explica por qué la entropía aumenta una vez que se parte de un comienzo de baja entropía. Todavía no explica por qué el universo empezó así. Algunos cosmólogos buscan la respuesta en la teoría de la inflación cósmica; otros, en ideas sobre lo que pudo haber antes del Big Bang. La pregunta sigue abierta, y es una de las más profundas de la ciencia.
Further readingPara leer más
- Sean Carroll, From Eternity to Here: The Quest for the Ultimate Theory of Time (Dutton, 2010).
- Huw Price, Time's Arrow and Archimedes' Point (Oxford University Press, 1996).
- David Z. Albert, Time and Chance (Harvard University Press, 2000).
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