Partículas elementales con un pasado diferente del futuro

En el mundo especular de Alicia a través del espejo, de Lewis Carroll, parece perfectamente lógico que la reina blanca, que vive al revés, primero se vende su dedo y después empiece a sangrar, luego grite y finalmente se pinche el dedo. Al menos sobre el papel, si no en el mundo real, la física que gobierna los fenómenos del microcosmos consiente que el tiempo corra igual hacia adelante (como un nadador que salta de un trampolín) que hacia atrás (como una película puesta al revés en la que el nadador salta desde el agua y sube al trampolín).Pero desde un experimento clave realizado en 1964 por James W. Cronin y Val L. Fitch, los físicos saben que la inversión del tiempo no es tan nítida en el mundo de las partículas elementales. Ellos descubrieron pruebas indirectas pero convincentes de que a veces una partícula que va hacia atrás en el tiempo no logra aterrizar en el trampolín. En otras palabras, descubrieron que el tiempo podría no ser absolutamente simétrico para las partículas elementales. Unos experimentos hechos hace poco han logrado una confirmación directa de esta inferencia. Los físicos de dos grandes aceleradores de partículas (el CERN europeo y el Fermilab estadounidense) han demostrado que cuando ciertas partículas van hacia atrás en el tiempo su comportamiento es en cierto modo diferente de cuando van hacia adelante.

Es natural que esto suene como una locura para los no científicos; un miembro del comité Nobel que galardonó a Cronin y Fitch en 1980 señaló: "Hará falta un nuevo Einstein para explicar lo que significa". Pero hay una importante implicación: la naturaleza escurridiza del tiempo puede explicar por qué quedó algo después del Big Bang para construir el universo que conocemos.

Los físicos concluyen que hubo un leve desequilibrio entre la cantidad de materia y la de antimateria creada en el nacimiento del universo. Se cree que la materia y la antimateria que se crearan en el Big Bang presumiblemente se aniquilarían mutuamente enseguida, dejando sólo un pequeño exceso de materia, lo justo para dar cuenta de la materia actual del cosmos.

Aumento de desorden

El tiempo, que tiene un papel en esto, es probablemente el más profundo de los enigmas de la física. A nivel cotidiano, los físicos creen que la llamada flecha del tiempo apunta siempre hacia la dirección del aumento del desorden (o entropía). A medida que corren los procesos naturales, el orden genera desorden, la información desaparece y las personas envejecen, mueren y se desintegran. Pero una partícula no es como un ser humano, y, cuando los físicos hablan de partículas que van hacia atrás en el tiempo, no quieren decir que una partícula elemental sea una minúscula máquina del tiempo capaz de explorar el pasado.

Chris Quigg, de Fermilab, explica: "No es que las antipartículas en mi laboratorio se muevan hacia atrás en el tiempo, sino que, si pienso en una partícula moviéndose de un sitio a otro hacia adelante en el tiempo, el proceso físico es el mismo que si imaginamos la película corriendo al revés".

En esto están implicadas tres transformaciones fundamentales de las partículas: la inversión de la carga eléctrica (C) que cambia partículas por antipartículas, y viceversa, la inversión de la paridad (P) - la inversión especular de toda dimensión de una partícula- y la inversión del tiempo (T).

Los físicos están cómodos cuando las cosas cuadran. Hace tiempo creían que la simetría de la paridad -la forma original versus la forma invertida- era inviolable, lo que significaba que la física en un mundo especular sería idéntica a la física en el nuestro. Pero en 1957 se galardonó con el Nobel de Física a Tsung-Dao Lee y Chen N. Ning por descubrir que la presunta simetría de la paridad en las partículas no existe, que cuando las partículas de corta vida llamadas mesones K (o kaones) se desintegran, sus transformaciones violan la simetría de la paridad.

Muchos teóricos esperaban que esta asimetría sería equilibrada por otra transformación, la de la carga. Fitch y Cronin demostraron que la simetría de carga también se violaba. Esto significaba que, para mantener las cosas en equilibrio, la simetría de tiempo debería ser violada. Así, el paquete total de carga, paridad y tiempo, o CTP, como se llama esta combinación, se conservaría, preservándose la idea de un universo que encaja limpiamente. Predicción

"Si carga y paridad son un poco divertidas, el tiempo tiene que ser un poco divertido, para compensar", dice Quigg. "Esto fue predicho por la teoría. Y los dos experimentos en Fermilab y en el CERN muestran claramente que la simetría de inversión de tiempo es violada exactamente en la dirección y cantidad predicha por la teoría. Ambos experimento han medido procesos de desintegración de unas partículas llamadas kaones neutros y antikaones neutros que están constituidos por dos quarks (protones y neutrones, que forman el núcleo de los átomos, están formados por tres quarks).

En el CERN se midieron las oscilaciones (transformaciones) de kaones en antikaones, y viceversa, cuando estas partículas salían disparadas desde su punto de origen. Si el tiempo fuera perfectamente simétrico, las tasas a las que kaones y antikaones se transforman unos en otros deberían ser exactamente iguales. Sin embargo, el experimento demostró que la tasa a la que los antikaones (antimateria) se convierten en kaones (materia normal) es más alta que en el proceso invertido de tiempo en que los kaones se convierten en antikaones.

Alguna simetría similar puede ayudar a explicar el presunto exceso de materia sobre antimateria del origen del universo. Pero ¿qué tiene que ver una partícula moviéndose hacia atrás en el tiempo con el tiempo convencional a mayor escala? Las ecuaciones que gobiernan las leyes del movimiento, el electromagnetismo y otros fenómenos, no presentan dificultades con la inversión del tiempo. Por otro lado, no es inconsistente la inversión del tiempo en la física de partículas, gobernada por la mecánica cuántica, que no requiere dirección especial de tiempo hacia adelante o hacia atrás.

Relatividad general

Pero el cosmos está gobernado por las leyes de la relatividad general de Einstein, y estas leyes todavía están pendientes de ser armonizadas con la mecánica cuántica, cuyas leyes rigen el comportamiento de átomos y partículas subatómicas. En cada uno de estos dominios, el tiempo tiene un significado algo diferente. La relatividad decreta que el tiempo no es una cantidad absoluta, entre cuyos sorprendes efectos está el del reloj en movimiento que va más despacio que el que está en reposo.

En teoría, han sugerido algunos científicos, se podría viajar en el tiempo utilizando agujeros negros, agujeros de gusano u otras distorsiones del espacio-tiempo, pero un problema con las máquinas del tiempo es la llamada paradoja de la abuela: si alguien pudiera ir hacia atrás en el tiempo y matar a su abuela, se produciría el principio de causalidad. ¿Plantea el mismo tipo de paradoja una partícula yendo hacia atrás en el tiempo? Los físicos creen que no.

"No sabemos cómo cuantizar el tiempo", dice Daniel E. Holz, del Instituto Max Plank, en Potsdam. "Cuando intentas cuantizar la gravedad es el tiempo lo que te hunde. Cuando sepamos qué hacer con el tiempo en la gravedad cuántica lo habremos logrado... o cuando logremos la gravedad cuántica tendremos la gran exclamación: ¡ah!, ¡así es como funciona el tiempo!".

The New York Times