Viajes en el tiempo

Algunas teorías, sobre todo la de la relatividad especial y la general, sugieren que las geometrías adecuadas del espaciotiempo o tipos específicos de movimiento en el espacio podrían permitir el viaje en el tiempo hacia el pasado y el futuro si estas geometrías o movimientos fueran posibles.

Muchos en la comunidad científica creen que el viaje en el tiempo hacia atrás es altamente improbable. Cualquier teoría que permita viajar en el tiempo introduciría problemas potenciales de causalidad. El ejemplo clásico de un problema de causalidad es la «paradoja del abuelo»: ¿qué pasaría si uno retrocediera en el tiempo y matara a su propio abuelo antes de concebir a su padre? Algunos físicos, como Novikov y Deutsch, sugirieron que este tipo de paradojas temporales pueden evitarse mediante el principio de autoconsistencia de Novikov o una variación de la interpretación de muchos mundos con mundos que interactúan.

La relatividad general

El viaje en el tiempo hacia el pasado es teóricamente posible en ciertas geometrías del espaciotiempo de la relatividad general que permiten viajar más rápido que la velocidad de la luz, como las cuerdas cósmicas, los agujeros de gusano atravesables y las unidades de Alcubierre.:33-130 La teoría de la relatividad general sugiere una base científica para la posibilidad de viajar en el tiempo hacia atrás en ciertos escenarios inusuales, aunque los argumentos de la gravedad semiclásica sugieren que cuando los efectos cuánticos se incorporan a la relatividad general, estas lagunas pueden cerrarse. Estos argumentos semiclásicos llevaron a Stephen Hawking a formular la conjetura de la protección de la cronología, sugiriendo que las leyes fundamentales de la naturaleza impiden los viajes en el tiempo, pero los físicos no pueden llegar a un juicio definitivo sobre la cuestión sin una teoría de la gravedad cuántica que una la mecánica cuántica y la relatividad general en una teoría completamente unificada.:150

Diferentes geometrías del espaciotiempo

La teoría de la relatividad general describe el universo bajo un sistema de ecuaciones de campo que determinan la métrica, o función de distancia, del espaciotiempo. Existen soluciones exactas a estas ecuaciones que incluyen curvas cerradas de tipo temporal, que son líneas del mundo que se cruzan entre sí; algún punto del futuro causal de la línea del mundo está también en su pasado causal, situación que puede describirse como un viaje en el tiempo. Tal solución fue propuesta por primera vez por Kurt Gödel, una solución conocida como la métrica de Gödel, pero su solución (y la de otros) requiere que el universo tenga características físicas que no parece tener,:499 como la rotación y la falta de expansión de Hubble. Todavía se está investigando si la relatividad general prohíbe las curvas cerradas de tipo temporal para todas las condiciones realistas.

Agujeros de gusano

Los agujeros de gusano son un hipotético espaciotiempo deformado permitido por las ecuaciones de campo de Einstein de la relatividad general.:100 Una propuesta de máquina para viajar en el tiempo utilizando un agujero de gusano atravesable funcionaría hipotéticamente de la siguiente manera: Un extremo del agujero de gusano se acelera hasta una fracción significativa de la velocidad de la luz, quizás con algún sistema de propulsión avanzado, y luego se devuelve al punto de origen. Otra forma es tomar una de las entradas del agujero de gusano y moverla al interior del campo gravitatorio de un objeto que tenga mayor gravedad que la otra entrada, y luego devolverla a una posición cercana a la otra entrada. Para estos dos métodos, la dilatación del tiempo hace que el extremo del agujero de gusano que se ha movido haya envejecido menos, o se haya vuelto «más joven», que el extremo estacionario visto por un observador externo; sin embargo, el tiempo se conecta de forma diferente a través del agujero de gusano que fuera de él, de modo que los relojes sincronizados en cualquiera de los extremos del agujero de gusano siempre permanecerán sincronizados vistos por un observador que pase por el agujero de gusano, independientemente de cómo se muevan los dos extremos.:502 Esto significa que un observador que entrara en el extremo «más joven» saldría del extremo «más viejo» en un momento en que tuviera la misma edad que el extremo «más joven», retrocediendo efectivamente en el tiempo visto por un observador desde el exterior. Una limitación significativa de tal máquina del tiempo es que es solamente posible ir tan lejos detrás en tiempo como la creación inicial de la máquina;:503 en esencia, es más de una trayectoria a través del tiempo que es un dispositivo que sí mismo se mueve a través del tiempo, y no permitiría que la tecnología sí mismo fuera movida detrás en tiempo.

Según las teorías actuales en la naturaleza de los agujeros de gusano, la construcción de un agujero de gusano atravesable requeriría la existencia de una sustancia con energía negativa, referida a menudo como «materia exótica». Más técnicamente, el espaciotiempo del agujero de gusano requiere una distribución de energía que viole varias condiciones energéticas, como la condición de energía nula junto con las condiciones de energía débil, fuerte y dominante. Sin embargo, se sabe que los efectos cuánticos pueden conducir a pequeñas violaciones medibles de la condición de energía nula,:101 y muchos físicos creen que la energía negativa requerida puede ser realmente posible debido al efecto Casimir en la física cuántica. Aunque los primeros cálculos sugirieron que se necesitaría una cantidad muy grande de energía negativa, cálculos posteriores mostraron que la cantidad de energía negativa puede hacerse arbitrariamente pequeña.

En 1993, Matt Visser argumentó que las dos bocas de un agujero de gusano con tal diferencia de reloj inducida no podrían juntarse sin inducir efectos de campo cuántico y gravitacionales que harían colapsar el agujero de gusano o que las dos bocas se repelieran. Por ello, las dos bocas no podrían acercarse lo suficiente como para que se produjera una violación de la causalidad. Sin embargo, en un artículo de 1997, Visser planteó la hipótesis de que una configuración compleja de «anillo romano» (llamado así por Tom Roman) de un número N de agujeros de gusano dispuestos en un polígono simétrico podría seguir actuando como una máquina del tiempo, aunque concluye que es más probable que esto sea un fallo de la teoría clásica de la gravedad cuántica que una prueba de que la violación de la causalidad es posible.

Otros enfoques basados en la relatividad general

Otro enfoque implica un denso cilindro giratorio que suele denominarse cilindro de Tipler, una solución de la RG descubierta por Willem Jacob van Stockum en 1936 y Kornel Lanczos en 1924, pero que no se reconoció que permitiera curvas cerradas de tipo temporal:21 hasta un análisis de Frank Tipler en 1974. Si un cilindro es infinitamente largo y gira con la suficiente rapidez en torno a su eje largo, una nave espacial que volara alrededor del cilindro siguiendo una trayectoria en espiral podría viajar hacia atrás en el tiempo (o hacia delante, dependiendo de la dirección de su espiral). Sin embargo, la densidad y la velocidad requeridas son tan grandes que la materia ordinaria no es lo suficientemente fuerte para construirla. Se podría construir un dispositivo similar a partir de una cuerda cósmica, pero no se conoce ninguna, y no parece posible crear una nueva cuerda cósmica. El físico Ronald Mallett está intentando recrear las condiciones de un agujero negro en rotación con láseres de anillo, con el fin de doblar el espacio-tiempo y permitir el viaje en el tiempo.

Una objeción más fundamental a los esquemas de viaje en el tiempo basados en cilindros giratorios o cuerdas cósmicas ha sido planteada por Stephen Hawking, quien demostró un teorema que muestra que según la relatividad general es imposible construir una máquina del tiempo de un tipo especial (una «máquina del tiempo con el horizonte de Cauchy generado de forma compacta») en una región donde se satisface la condición de energía débil, lo que significa que la región no contiene materia con densidad de energía negativa (materia exótica). Soluciones como la de Tipler suponen cilindros de longitud infinita, que son más fáciles de analizar matemáticamente, y aunque Tipler sugirió que un cilindro finito podría producir curvas de tiempo cerradas si la velocidad de rotación fuera lo suficientemente rápida,:169 no lo demostró. Pero Hawking señala que debido a su teorema, «¡no se puede hacer con densidad de energía positiva en todas partes! Puedo demostrar que para construir una máquina del tiempo finito se necesita energía negativa»:96 Este resultado procede del artículo de Hawking de 1992 sobre la conjetura de la protección de la cronología, en el que examina «el caso de que las violaciones de la causalidad aparezcan en una región finita del espaciotiempo sin singularidades de curvatura» y demuestra que «habrá un horizonte de Cauchy que se genera de forma compacta y que en general contiene una o más geodésicas nulas cerradas que serán incompletas. Se pueden definir cantidades geométricas que midan el impulso de Lorentz y el aumento de área al recorrer estas geodésicas nulas cerradas. Si la violación de la causalidad se desarrolló a partir de una superficie inicial no compacta, la condición de energía débil promediada debe violarse en el horizonte de Cauchy». Este teorema no descarta la posibilidad de viajar en el tiempo mediante máquinas del tiempo con los horizontes de Cauchy no compactos generados (como la máquina del tiempo de Deutsch-Politzer) o en regiones que contengan materia exótica, lo que serviría para los agujeros de gusano atravesables o el impulso de Alcubierre y el agujero negro.

Física cuántica

Teorema de la no-comunicación

Cuando se envía una señal desde un lugar y se recibe en otro, entonces, mientras la señal se mueva a la velocidad de la luz o más lento, las matemáticas de la simultaneidad en la teoría de la relatividad muestran que todos los marcos de referencia están de acuerdo en que el evento de transmisión ocurrió antes que el de recepción. Cuando la señal viaja más rápido que la luz, se recibe antes de ser enviada, en todos los marcos de referencia. Se podría decir que la señal ha retrocedido en el tiempo. Este escenario hipotético se denomina a veces antitelefónico taquiónico.

Fenómenos de mecánica cuántica como el teletransporte cuántico, la paradoja EPR o el entrelazamiento cuántico podrían parecer un mecanismo que permite la comunicación más rápida que la luz (FTL) o el viaje en el tiempo, y de hecho algunas interpretaciones de la mecánica cuántica, como la interpretación de Bohm, suponen que se intercambia cierta información entre las partículas de forma instantánea para mantener las correlaciones entre ellas. Este efecto fue denominado por Einstein como «acción espeluznante a distancia».

Sin embargo, el hecho de que la causalidad se preserve en la mecánica cuántica es un resultado riguroso en las modernas teorías cuánticas de campo, y por tanto las teorías modernas no permiten el viaje en el tiempo o la comunicación FTL. En cualquier caso concreto en el que se haya afirmado la existencia de FTL, un análisis más detallado ha demostrado que, para obtener una señal, debe utilizarse también alguna forma de comunicación clásica. El teorema de la no-comunicación también da una prueba general de que el entrelazamiento cuántico no puede ser utilizado para transmitir información más rápido que las señales clásicas.

Interpretación de muchos mundos

Una variación de la interpretación de muchos mundos (MWI) de Hugh Everett de la mecánica cuántica proporciona una resolución a la paradoja del abuelo que implica que el viajero en el tiempo llega a un universo diferente del que vino; se ha argumentado que, dado que el viajero llega a la historia de un universo diferente y no a su propia historia, esto no es un viaje en el tiempo «genuino». La interpretación aceptada de muchos mundos sugiere que todos los eventos cuánticos posibles pueden ocurrir en historias mutuamente excluyentes. Sin embargo, algunas variantes permiten que diferentes universos interactúen. Este concepto se utiliza sobre todo en la ciencia-ficción, pero algunos físicos, como David Deutsch, han sugerido que un viajero en el tiempo debería acabar en una historia diferente de la que partió. Por otro lado, Stephen Hawking ha argumentado que incluso si la MWI es correcta, deberíamos esperar que cada viajero en el tiempo experimente una única historia autoconsistente, de modo que los viajeros en el tiempo permanezcan dentro de su propio mundo en lugar de viajar a uno diferente. El físico Allen Everett argumentó que el enfoque de Deutsch «implica modificar principios fundamentales de la mecánica cuántica; ciertamente va más allá de la simple adopción de la MWI». Everett también argumenta que incluso si el enfoque de Deutsch es correcto, implicaría que cualquier objeto macroscópico compuesto por múltiples partículas se dividiría al viajar hacia atrás en el tiempo a través de un agujero de gusano, con diferentes partículas emergiendo en diferentes mundos.

Resultados experimentales

Ciertos experimentos llevados a cabo dan la impresión de causalidad invertida, pero no logran mostrarla bajo un examen más detallado.

El experimento del borrador cuántico de elección retardada realizado por Marlan Scully implica pares de fotones enredados que se dividen en «fotones de señal» y «fotones ociosos», con los fotones de señal que emergen de uno de los dos lugares y su posición se mide posteriormente como en el experimento de la doble rendija. Dependiendo de cómo se mida el fotón ocioso, el experimentador puede saber de cuál de los dos lugares salió el fotón de señal o «borrar» esa información. Aunque los fotones de señal pueden ser medidos antes de que se haya hecho la elección sobre los fotones ociosos, la elección parece determinar retroactivamente si se observa o no un patrón de interferencia cuando se correlacionan las mediciones de los fotones ociosos con los correspondientes fotones de señal. Sin embargo, dado que la interferencia sólo puede observarse después de que se midan los fotones ociosos y se correlacionen con los fotones señal, no hay forma de que los experimentadores sepan qué elección se hará de antemano con sólo mirar los fotones señal, sólo recopilando información clásica de todo el sistema; así se preserva la causalidad.

El experimento de Lijun Wang también podría mostrar una violación de la causalidad, ya que permitió enviar paquetes de ondas a través de una bombilla de gas de cesio de tal manera que el paquete parecía salir de la bombilla 62 nanosegundos antes de su entrada, pero un paquete de ondas no es un objeto único bien definido, sino una suma de múltiples ondas de diferentes frecuencias (véase el análisis de Fourier), y el paquete puede parecer que se mueve más rápido que la luz o incluso hacia atrás en el tiempo, incluso si ninguna de las ondas puras en la suma lo hace. Este efecto no puede utilizarse para enviar ninguna materia, energía o información más rápido que la luz, por lo que se entiende que este experimento tampoco viola la causalidad.

Los físicos Günter Nimtz y Alfons Stahlhofen, de la Universidad de Coblenza, afirman haber violado la teoría de la relatividad de Einstein al transmitir fotones más rápido que la velocidad de la luz. Dicen haber realizado un experimento en el que los fotones de microondas viajaron «instantáneamente» entre un par de prismas que se habían movido hasta 0,91 m de distancia, utilizando un fenómeno conocido como túnel cuántico. Nimtz declaró a la revista New Scientist: «Por el momento, ésta es la única violación de la relatividad especial que conozco.» Sin embargo, otros físicos afirman que este fenómeno no permite transmitir la información más rápido que la luz. Aephraim Steinberg, experto en óptica cuántica de la Universidad de Toronto (Canadá), utiliza la analogía de un tren que viaja de Chicago a Nueva York, pero que va dejando vagones en cada estación del trayecto, de modo que el centro del tren avanza en cada parada; de este modo, la velocidad del centro del tren supera la de cualquiera de los vagones individuales.

Shengwang Du afirma en una revista revisada por pares haber observado los precursores de los fotones individuales, diciendo que no viajan más rápido que c en el vacío. Su experimento incluyó luz lenta, así como el paso de la luz a través del vacío. Generó dos fotones individuales, pasando uno a través de átomos de rubidio que habían sido enfriados con un láser (ralentizando así la luz) y pasando otro a través del vacío. En ambas ocasiones, aparentemente, los precursores precedieron a los cuerpos principales de los fotones, y el precursor viajó a c en el vacío. Según Du, esto implica que no hay posibilidad de que la luz viaje más rápido que c y, por tanto, no hay posibilidad de violar la causalidad.

Ausencia de viajeros en el tiempo desde el futuro

Krononautas

Muchos han argumentado que la ausencia de viajeros en el tiempo desde el futuro demuestra que tal tecnología nunca se desarrollará, sugiriendo que es imposible. Esto es un análogo a la paradoja de Fermi relacionada con la ausencia de evidencia de vida extraterrestre. Al igual que la ausencia de visitantes extraterrestres no demuestra categóricamente que no existan, la ausencia de viajeros en el tiempo no demuestra que el viaje en el tiempo sea físicamente imposible; podría ser que el viaje en el tiempo sea físicamente posible pero que nunca se desarrolle o se utilice con precaución. Carl Sagan sugirió en una ocasión la posibilidad de que los viajeros en el tiempo pudieran estar aquí pero estuvieran disimulando su existencia o no fueran reconocidos como tales. Algunas versiones de la relatividad general sugieren que el viaje en el tiempo sólo podría ser posible en una región del espaciotiempo que está deformada de cierta manera, y por lo tanto los viajeros en el tiempo no podrían viajar a regiones anteriores en el espaciotiempo, antes de que esta región existiera. Stephen Hawking afirmó que esto explicaría por qué el mundo no ha sido invadido por «turistas del futuro».

Se han llevado a cabo varios experimentos para tratar de atraer a los humanos del futuro, que podrían inventar la tecnología de los viajes en el tiempo, para que regresen y se lo demuestren a la gente del tiempo presente. Eventos como el Día del Destino de Perth o la Convención de Viajeros en el Tiempo del MIT, han hecho una gran publicidad permanente de una hora y un lugar de encuentro para que los futuros viajeros en el tiempo se reúnan. En 1982, un grupo de Baltimore (Maryland), que se identificaba como los Krononautas, organizó un evento de este tipo para recibir a visitantes del futuro. Estos experimentos sólo tenían la posibilidad de generar un resultado positivo que demostrara la existencia de los viajes en el tiempo, pero han fracasado hasta ahora: no se sabe que ningún viajero del tiempo haya asistido a ninguno de los dos eventos. Algunas versiones de la interpretación de los muchos mundos pueden utilizarse para sugerir que los humanos del futuro han viajado hacia atrás en el tiempo, pero han viajado al tiempo y lugar de encuentro en un universo paralelo.