El tiempo es algo que todos experimentamos, aunque no por ello es fácil de definir y entender. Esta experiencia a menudo se explica como la percepción de una sucesión progresiva de eventos irreversibles, o al menos aparentemente irreversibles.
Pero en física, el tiempo se trata como una magnitud. No se explica como una percepción sino como una propiedad medible de la realidad material. Así, el tiempo sería la magnitud física que mide la duración de un evento que ocurre dentro de un sistema, o el intervalo que transcurre entre dos eventos.
De esta forma, el tiempo permite a su vez medir la tasa o velocidad de cambio del sistema.
A lo largo de la historia hemos utilizado diferentes sistemas y unidades de medida de tiempo. En la actualidad, la unidad básica en el Sistema Internacional es el segundo, de símbolo s, y definido como la duración de 9 192 631 770 oscilaciones de la radiación emitida en la transición entre los dos niveles hiperfinos del estado fundamental del isótopo 133 del átomo de cesio (133Cs) a una temperatura de 0 K o cero absoluto.
Como vemos, el tiempo se define tomando como referencia una tasa de cambio conocida, y una tasa de cambio es una medida de velocidad. Comparando esta velocidad conocida con la velocidad a la que transcurren otros eventos, podemos medir el tiempo. Y es que velocidad y tiempo están tan íntimamente relacionados que la medida de uno implica la medida del otro.
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La dirección del tiempo
Medir el tiempo nos permite ordenar la sucesión de eventos que se producen en un sistema. Desde el futuro, al presente y al pasado. Si un sistema no cambia, es un sistema atemporal, pues si no hay eventos no hay tiempo.
Las ecuaciones matemáticas que intentan explicar la realidad física funcionan igual sin importar la dirección en la que se ordene esta sucesión de eventos que mide el tiempo. En las ecuaciones matemáticas utilizadas en física el tiempo puede ser negativo.
Sin embargo, en el mundo natural el tiempo sigue una sola dirección y un solo sentido. La explicación de por qué el tiempo transcurre de forma irreversible, o al menos así lo experimentamos, es una de las grandes preguntas para las que la ciencia no tiene una respuesta.
La relatividad del tiempo
El hecho de que el tiempo mida la sucesión de eventos que se producen en un sistema introduce un concepto que ayuda a entender la relatividad del tiempo. El tiempo se vuelve relativo al sistema de referencia del observador.
Hasta que Einstein no reinterpretó los conceptos de tiempo y espacio de la mecánica newtoniana, el tiempo era considerado el mismo en todo el universo. Pero a partir de la teoría de la relatividad de Einstein el tiempo pasó a considerarse una medida relativa al marco de referencia.
La relatividad del tiempo viene determinada por la velocidad de la luz, que según los postulados de Einstein es una constante universal e independiente del observador. En la teoría de la relatividad, dos observadores pueden obtener medidas de tiempo diferentes para un mismo evento si no observan desde el mismo marco de referencia.
Por ejemplo, si un observador se mueve más rápido que el otro, y ambos observan el mismo evento, el observador que se desplaza más rápido obtendrá medidas de tiempo más dilatadas. Las diferentes medidas de cada observador encuentra su relación si se extrapola el marco de referencia de cada observador a la velocidad de la luz, que es constante para los dos y constituiría un sistema equivalente para ambos.
Si un observador fuera capaz de alcanzar la velocidad de la luz, todos los eventos que observaría serían simultáneos, no habría una sucesión de eventos. El tiempo se habría dilatado indefinidamente hasta el punto de detenerse. Debido a que la velocidad de la luz no se puede superar, un observador que viaje a esta velocidad no sería alcanzado por luz alguna, no habría evento capaz de alcanzarle y el tiempo se detendría para él.
La dilatación del tiempo a medida que aumenta la velocidad del observador ha sido registrada en diversos experimentos. Por ejemplo, en sistemas de medición de tiempo puestos en órbita a gran velocidad o en medidas de la velocidad de desintegración de muones y otras partículas elementales. Uno de los primeros y más famosos experimentos sobre la relatividad del tiempo fue el experimento de Michelson y Morley.
Comienzo y final del tiempo
En teoría, la línea temporal podría tener un principio y un final. Si observamos la sucesión de eventos que se han producido en el Universo, que es el mayor marco de referencia que podemos estudiar, tanto las ecuaciones matemáticas como las observaciones en la radiación del espacio, llegan hasta un punto de tiempo cero. Según la teoría del Big Bang, este punto habría ocurrido hace 13799 millones de años.
No se sabe que había antes del Big Bang, ni siquiera se sabe que ocurrió justo en el momento del Big Bang. De hecho, en la teoría de la relatividad el tiempo empezaría justo en el Big Bang, antes no existiría el tiempo ni el espacio, un concepto difícil de entender. La mente humana genera una sucesión constante de pensamientos que siguen una línea temporal. Imaginar la ausencia de tiempo es realmente difícil para nosotros.
Tampoco se sabe si el tiempo tendrá un final. Si el Universo se sigue expandiendo como lo hace ahora, el tiempo no terminaría nunca. Si un nuevo Big Bang tiene lugar, nuestra línea temporal podría verse truncada y comenzar una nueva.