Entonces, ¿por qué el tiempo parece moverse en una sola dirección?
Una de las posibles respuestas también puede revelar los secretos de la masa perdida. Algunos hechos de nuestra experiencia son tan obvios y generalizados como la diferencia entre el pasado y el futuro. Recordamos una cosa, pero esperamos otra. Si ejecuta la película en la dirección opuesta, no será realista. Decimos "flecha del tiempo", es decir, el camino del pasado al futuro.
Se podría suponer que la existencia de la flecha del tiempo forma parte de las leyes fundamentales de la física. Pero lo contrario también es cierto. Si hiciera una película sobre eventos subatómicos, encontrará que su versión en tiempo inverso parece bastante razonable. Más precisamente, las leyes fundamentales de la física, con la excepción de pequeñas excepciones exóticas, a las que volveremos, funcionarán independientemente de que giremos la palanca del tiempo hacia adelante o hacia atrás. En el contexto de las leyes fundamentales de la física, la flecha del tiempo es reversible.
Lógicamente, una transformación que invierte la dirección del tiempo también debe cambiar las leyes fundamentales. El sentido común dicta lo que debería. Pero eso no cambia. Los físicos usan un acrónimo conveniente para describir este hecho. Llaman a la transformación que invierte la flecha del tiempo, simplemente T, de la inversión del tiempo. Y el hecho de que T no cambia las leyes fundamentales se conoce como "invariancia T" o "simetría T".
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La experiencia cotidiana viola la invariancia T, mientras que las leyes fundamentales la respetan. Esta evidente discrepancia plantea preguntas difíciles. ¿Cómo logra el mundo real, cuyas leyes fundamentales respetan la simetría T, parecer tan asimétrico? ¿Es posible que algún día encontremos seres que vivan en el ritmo opuesto del tiempo, que se hagan más jóvenes a medida que envejecemos? ¿Podemos, mediante algún proceso físico, invertir nuestra propia flecha del tiempo?
Estas son preguntas interesantes y volveremos a ellas más adelante. En este artículo, Frank Wilczek, físico teórico del Instituto de Tecnología de Massachusetts y premio Nobel, decidió cubrir otro tema. Surge cuando empiezas por el otro extremo, en el marco de una experiencia compartida. ¿El acertijo es este?
¿Por qué las leyes fundamentales tienen esta propiedad problemática y extraña, la invariancia T?
La respuesta que se puede ofrecer hoy es incomparablemente más profunda y compleja que la que podíamos ofrecer hace 50 años. La comprensión actual ha surgido de la brillante interacción del descubrimiento experimental y el análisis teórico, que han ganado varios premios Nobel. Pero a nuestra respuesta le faltan algunos elementos. Buscarlos puede llevarnos a una recompensa inesperada: la definición de "materia oscura" cosmológica.
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La historia moderna de la invariancia T comenzó en 1956. Ese año, T. D. Lee y C. N. Young cuestionaron otra característica relacionada de la ley física que anteriormente se había dado por sentado. A Lee y Young no les molestaba T en sí, sino su contraparte espacial, la transformación de paridad de P. Mientras que T implica ver películas en el tiempo, P incluye ver películas reflejadas en un espejo. La invariancia P es la hipótesis de que los eventos que ves en las películas reflejadas obedecen a las mismas leyes que en los originales. Lee y Young identificaron inconsistencias indirectas en esta hipótesis y propusieron un experimento importante para probarlas. Los experimentos durante varios meses han demostrado que la invariancia P se viola en muchos casos. (La invariancia P se conserva para interacciones gravitacionales, electromagnéticas y fuertes,pero generalmente violado por interacciones débiles).
Estos eventos dramáticos en torno a la (in) invariancia P han llevado a los físicos a pensar en la invariancia T, una suposición relacionada que también se dio por sentado. Sin embargo, la hipótesis de la invariancia T se ha sometido a pruebas rigurosas durante varios años. Sólo en 1964 un grupo dirigido por James Cronin y Valentina Fitch descubrió un efecto sutil y peculiar en las desintegraciones de los mesones K, que viola la invariancia T.
La sabiduría del entendimiento de John Mitchell - que "no sabes lo que tienes hasta que se acaba" - ha sido probada posteriormente.
Si nosotros, como los niños pequeños, seguimos preguntando “¿por qué?”, Obtendremos respuestas más profundas por un tiempo, pero eventualmente tocaremos fondo cuando lleguemos a una verdad que no podemos explicar de manera más simple. En este momento declaramos la victoria: "Todo es como es". Pero si luego encontramos excepciones a nuestra supuesta verdad, esta respuesta ya no nos satisfará. Debemos seguir adelante.
Mientras la invariancia T sea una verdad universal, no está claro cuán útil será nuestra pregunta al principio. ¿Por qué el universo era invariante en T? Simplemente porque. Pero después de Cronin y Fitch, el rompecabezas de la invariancia T simplemente no puede ignorarse.
Muchos físicos teóricos se han enfrentado al molesto problema de comprender cómo la invariancia T puede ser extremadamente precisa, pero no del todo. Y aquí el trabajo de Makoto Kobayashi y Toshihide Maskawa fue útil. En 1973, sugirieron que la invariancia T aproximada es una consecuencia accidental de otros principios más profundos.
El tiempo ha pasado. No mucho antes de eso, se dibujaron los contornos del modelo estándar moderno de física de partículas elementales, y con ellos un nuevo nivel de transparencia de las interacciones fundamentales. En 1973, había un marco teórico poderoso, y empíricamente exitoso, basado en varios "principios sagrados". Estos son la relatividad, la mecánica cuántica y una regla matemática de uniformidad llamada simetría de gauge.
Pero lograr que todas estas ideas funcionaran juntas resultó difícil. Juntos, limitan significativamente las posibilidades de interacciones básicas.
Kobayashi y Maskawa, en dos breves párrafos, hicieron dos cosas. Primero, mostraron que si restringimos la física a las partículas conocidas en ese momento (por ejemplo, si solo hubiera dos familias de quarks y leptones), entonces todas las interacciones permitidas por los principios sagrados también siguen la invariancia T. Si Cronin y Fitch nunca hubieran hecho su descubrimiento, este no sería el caso. Pero lo hicieron, y Kobayashi y Maskawa fueron aún más lejos. Demostraron que si introducimos un conjunto especial de nuevas partículas (la tercera familia), estas partículas conducirán a nuevas interacciones, lo que conducirá a violaciones de la invariancia T. A primera vista, exactamente lo que recetó el médico.
En los años siguientes, su brillante ejemplo de trabajo detectivesco estuvo plenamente justificado. Se descubrieron las nuevas partículas que Kobayashi y Maskawa admitieron que existían, y sus interacciones resultaron ser exactamente lo que deberían haber sido.
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Atención, pregunta. ¿Son estos principios sagrados realmente sagrados? Por supuesto no. Si los experimentos llevan a los científicos a complementar estos principios, sin duda los complementarán. Por el momento, los principios sagrados se ven muy bien. Y fueron lo suficientemente fructíferos como para tomarlos en serio.
Hasta ahora, ha sido una historia de triunfo. La pregunta que planteamos al principio, uno de los enigmas más difíciles sobre cómo funciona el mundo, recibió una respuesta parcial: profunda, hermosa, fructífera.
Unos años después del trabajo de Kobayashi y Maskawa, Gerard t'Hooft descubrió una laguna en su explicación de la invariancia T. Los principios sagrados permiten un tipo adicional de interacción. La posible nueva interacción es bastante sutil, y el descubrimiento de t'Hooft fue una sorpresa para la mayoría de los físicos teóricos.
La nueva interacción, si se presenta con fuerza significativa, violaría la invariancia T en un grado mucho más obvio que el efecto descubierto por Cronin, Fitch y sus colegas. En particular, permitiría que la rotación del neutrón generara un campo eléctrico, además del campo magnético que puede inducir. (El campo magnético de un neutrón giratorio es análogo al que produce nuestra Tierra giratoria, aunque en una escala completamente diferente). Los experimentadores han estado buscando con ahínco tales campos eléctricos, pero su búsqueda no ha arrojado resultados.
Es como si la naturaleza no quisiera aprovechar la escapatoria de t'Hooft. Por supuesto, este es su derecho, pero este derecho vuelve a plantear nuestra pregunta: ¿por qué la naturaleza sigue la invariancia T con tanto cuidado?
Se han ofrecido varias explicaciones, pero solo una ha resistido la prueba del tiempo. La idea central pertenece a Roberto Pezzie y Helen Quinn. Su propuesta, como la de Kobayashi y Maskawa, pasa por extender el Modelo Estándar de una manera especial. Por ejemplo, a través de un campo neutralizador, cuyo comportamiento es especialmente sensible a la nueva interacción t'Hooft. Si está presente una nueva interacción, el campo neutralizante ajusta su propia magnitud para compensar la influencia de esta interacción. (Este proceso de ajuste es generalmente similar a cómo los electrones cargados negativamente en los sólidos se juntan alrededor de las impurezas cargadas positivamente y protegen su influencia). Resulta que un campo tan neutralizador cierra nuestro vacío legal.
Pezzie y Quinn han olvidado las importantes implicaciones comprobables de su idea. Las partículas producidas por su campo neutralizante, sus cuantos, deben tener propiedades notables. Como se olvidaron de sus partículas, tampoco las nombraron. Esto me permitió cumplir mi sueño de infancia.
Unos años antes, había visto una caja de colores brillantes en un supermercado llamado Axion. Me pareció que el "axión" suena como una partícula y, al parecer, lo es. Entonces, cuando descubrí una nueva partícula que "limpia" el problema con un flujo "axial", sentí que tenía una oportunidad. (Pronto supe que Steven Weinberg también descubrió esta partícula, de forma independiente. La llamó Higglet. Afortunadamente, accedió a eliminar ese nombre). Así comenzó la epopeya, cuya conclusión sólo queda por escribir.
En Chronicles of the Particle Data Group, encontrará varias páginas que cubren docenas de experimentos que describen búsquedas fallidas del axión. Pero todavía hay motivos para el optimismo.
La teoría del axión predice, en términos generales, que los axiones deberían ser partículas muy ligeras y de muy larga vida que interactúan débilmente con la materia ordinaria. Pero para comparar la teoría y la experimentación, debe confiar en los números. Y aquí nos enfrentamos a la ambigüedad, ya que la teoría existente no fija el valor de la masa del axión. Si conociéramos la masa del axión, predeciríamos el resto de sus propiedades. Pero la masa en sí puede estar en una amplia gama de valores. (El mismo problema fue con el quark encantado, la partícula de Higgs, el quark top y varios otros. Antes del descubrimiento de cada una de estas partículas, la teoría predijo todas sus propiedades, excepto el valor de masa). Resultó que la fuerza de interacción del axión es proporcional a su masa. Por lo tanto, a medida que disminuye el valor de la masa del axión, se vuelve cada vez más difícil de alcanzar.
En el pasado, los físicos se han centrado en modelos en los que el axión está estrechamente relacionado con la partícula de Higgs. Se asumió que la masa del axión debería ser del orden de 10 keV, una cincuenta de la masa de un electrón. La mayoría de los experimentos de los que hablamos anteriormente buscaban un eje de tal plan. En la actualidad, podemos estar seguros de que tales axiones no existen.
Materia oscura
Y por lo tanto, se llamó la atención sobre valores mucho más pequeños de las masas de axiones, que no se excluyeron experimentalmente. Los axiones de este tipo aparecen de forma bastante natural en modelos que combinan interacciones en el modelo estándar. También aparecen en la teoría de cuerdas.
Calculamos que los axiones deberían haberse producido en abundancia durante los primeros momentos del Big Bang. Si existen axiones, entonces el fluido de axiones llena el Universo. El origen del fluido axiónico se asemeja más o menos al origen del famoso fondo cósmico de microondas, pero hay tres diferencias importantes entre los dos. Primero, se observa el fondo de microondas y el fluido axiónico sigue siendo puramente hipotético. En segundo lugar, dado que los axiones tienen masa, su fluido afecta la densidad de masa general del universo. Básicamente, calculamos que su masa debería corresponder aproximadamente a la masa que los astrónomos han determinado detrás de la materia oscura. En tercer lugar, debido a que los axiones interactúan tan débilmente, deberían ser más difíciles de observar que los fotones CMB.
La búsqueda experimental de axiones continúa en varios frentes. Dos de los experimentos más prometedores están destinados a encontrar fluido axiónico. Uno de ellos, ADMX (Axion Dark Matter eXperiment), utiliza antenas especiales súper sensibles para convertir los axiones de fondo en pulsos electromagnéticos. Otro, CASPEr (Experimento de precesión del giro del axión cósmico), busca pequeñas fluctuaciones en el movimiento de los espines nucleares que podrían ser causadas por el fluido del axión. Además, estos sofisticados experimentos prometen cubrir casi todo el rango de posibles masas de axiones.
¿Existen axiones? Aún no lo sabemos. Su existencia traerá una conclusión dramática y satisfactoria a la historia de la flecha reversible del tiempo, y quizás también resolverá el misterio de la materia oscura en el trato. Comenzó el juego.
Frank Wilczek, basado en Quanta Magazine
