Como humanos, siempre hemos ‘sentido el llamado’ por los tiempos y lugares lejanos. Desde que nos dimos cuenta acerca de qué eran las estrellas, nos hemos preguntado si seremos capaces de viajar hacia ellas. Tales pensamientos han proporcionado un campo fértil por años a los escritores de ciencia ficción buscando argumentos interesantes. Pero las vastas distancias que separan a los objetos astronómicos forzaron a los autores a inventar varios dispositivos imaginarios que les pudieran permitir a sus personajes viajar a velocidades superiores a las de la luz (La velocidad de la luz en el espacio vacío, generalmente denotada como c por los físicos, es de casi 300000 km/s). Para darnos una idea de cuan enormes son las distancias entre las estrellas, comencemos con unos cuantos datos. La estrella más cercana, Proxima Centauri (En el sistema estelar Alpha Centauri) esta a aproximadamente 4 años-luz de distancia. Un año-luz es la distancia que recorre la luz en un año (9,460728 × 10¹² Km aproximadamente), por lo tanto, esta estrella esta a 3,7842912 × 10¹³ Km, luego entonces, a un haz de luz o un mensaje de radio viajando a c les tomaría alrededor de 4 años el llegar allí.

En una escala mayor, la longitud de nuestra Vía Láctea es de aproximadamente 100000 años luz. La galaxia más cercana, Andrómeda, está a casi 2 millones de años-luz. Con la tecnología actual, tomaría varias decenas de miles de años enviar una sonda, viajando a una velocidad mucho menor que la de c para llegar a la estrella más cercana. No es de sorprender entonces que los escritores de ciencia ficción hayan imaginado algún tipo de ‘atajo’ entre las estrellas que involucre el viajar más rápido que la luz. De otra manera es muy difícil de ver como es que se tienen las diferentes ‘federaciones’ o ‘Imperios galácticos’ tan prominentes en la ciencia ficción. Sin los ‘atajos’, el Universo es un gran lugar.

¿Y qué podemos decir acerca del tiempo, la característica más misteriosa del Universo? ¿Por qué el pasado es tan diferente al futuro? ¿Por qué podemos recordar el pasado y no el futuro? ¿Es posible que el pasado y el futuro sean ‘lugares’ que podamos visitar tal como otras regiones en el espacio? De ser así ¿Cómo podemos hacerlo?

La idea de viajar a velocidades superiores a las de la luz ha existido desde hace mucho tiempo en la imaginación popular. Lo que quizá no es tan conocido es que existen algunos físicos que estudian estos conceptos de manera muy formal no solo como un “Podría ser posible algún día” sino como un “¿Qué podemos aprender de estos estudios acerca de la física básica?”.

La ciencia ficción de la televisión y las películas, por ejemplo, como Star Trek, contienen muchos ejemplos ficticios de viajes a velocidades superiores a las de la luz. El Capitán Kirk o Picard le dan una orden al timonel del Enterprise más o menos así: “Vámonos, a Warp 2”. Nunca mencionan exactamente que es lo que significa, pero claramente entendemos que se refiere a viajar a una velocidad superior a la de la luz. Algunos fans especulan que se refiere a una velocidad 2²c, esto es, cuatro veces la velocidad de la luz. Se suponen que alcanzan esta velocidad haciendo uso del “Warp Drive” del Enterprise. Este término nunca se explicó y luce como un buen ejemplo del “Tecnoparloteo” usualmente necesario en una pieza de ciencia ficción para que suene ‘científico’. Pero por casualidad (O buena idea) el “Warp Drive” puede ser la descripción adecuada de un mecanismo concebible para viajar a una velocidad superior a la de la luz (Creo que sería un buen tema para otra entrada, lo dejaré en el tintero).

Por analogía con el término “Supersónico” para la velocidad que supera a la del sonido en el aire, la velocidad que supera a la de la luz es referida comúnmente por los físicos como “Velocidad superlumínica”. Sin embargo, un viaje superlumínico incluye una violación a las leyes conocidas de la física, de hecho a la Teoría Especial de la Relatividad de Einstein. Esta teoría se fundamenta en la existencia de una ‘barrera de luz’. La terminología tiene la intención de ser reminiscente de la barrera del sonido encontrada por vehículos aéreos cuando sus velocidades alcanzan la del sonido y algunos, en ocasiones, pensar que debe prevenir el vuelo supersónico. Pero mientras que se logró superar la barrera del sonido sin violar ninguna ley física, la relatividad especial da a entender que, un ‘warp drive’ está absolutamente prohibido, sin importar cuan poderosos lleguen a ser los motores del futuro.

Los viajes en el tiempo abundan en la ciencia ficción. Por ejemplo, los personajes en una historia pueden encontrar por sí mismos la manera de regresar a su periodo de tiempo original y estar involucrados con la NASA en un lanzamiento espacial, quizás después de pasar a través de un “Portal del tiempo”. Con frecuencia en la ciencia ficción, el que suceda el viaje en el tiempo hacia el pasado no tiene nada que ver con la existencia de un ‘warp drive’, tal como lo necesitan las naves espaciales, los fenómenos del viaje superlumínico y el viaje por el tiempo lucen bastante lejanos o ajenos. De hecho, podemos ver que hay una conexión directa entre ambos.

Los escritores de ciencia ficción frecuentemente proporcionan respuestas imaginativas a cuestiones que inician con la palabra “¿Qué?” (¿Qué desarrollos tecnológicos habrá en el futuro?), pero por lo general, no proporcionan respuestas a las cuestiones del “¿Cómo?”, intentando extender nuestro conocimiento de las leyes de la naturaleza y aplicar este conocimiento creativamente en nuevas situaciones.

El hecho es que la ciencia, a su debido tiempo, frecuentemente proporciona las respuestas a algunas tecnologías avanzadas imaginadas en la ciencia ficción, que puede ser alcanzada o que se manifieste la expectativa de que se va a producir. Pero esto no es necesariamente un axioma. Las leyes físicas frecuentemente afirman que ciertos fenómenos físicos están absolutamente prohibidos. Por ejemplo, hasta donde sabemos, no importa que ocurra, la cantidad total de energía (De todos los tipos) en el Universo no cambia. Esto es, la energía se conserva, tal como lo hemos escuchado en nuestras clases básicas de ciencia (Secundaria, Bachillerato, Universidad, etc.).

Aunque los trabajos de ciencia ficción usualmente no se basan en la pregunta “¿Cómo?”, frecuentemente le sirven a la ciencia a través de sus exploraciones del “¿Qué?”. Previendo los fenómenos concebibles fuera de nuestra experiencia cotidiana, pueden ofrecer ciertas vías de experimentación. Un escritor de ciencia ficción está en la libertad de imaginar un mundo en el cual los humanos han aprendido a ‘crear’ energía en cantidades ilimitadas por medio de algún dispositivo imaginario. Sin embargo, un físico dirá que, en concordancia con las bien establecidas leyes físicas, esto no será posible, no importa cuan inteligentes o astutos sean los futuro científicos e ingenieros. En otras palabras, en ocasiones la respuesta a la pregunta “¿Cómo es que construyeron esa cosa?” sea “Probablemente, no pudieron”. Nosotros debemos estar preparados para la posibilidad de que nos encontremos en esas situaciones.

A menos que se especifique lo contrario, el término “Viaje en el tiempo” normalmente significa viaje al pasado, el cual es el que presenta problemas más interesantes. Bueno, de aquí en adelante me referiré a un dispositivo que pueda permitir este viaje como una ‘Máquina del Tiempo’ y al proceso de desarrollar la capacidad de viajar de regreso como ‘Construyendo una máquina del tiempo’. Esto implica la posibilidad de que puedas viajar hacia el pasado y conocer una versión más joven de ti mismo. En la jerga de la física, un camino circular como este se denomina ‘curva cerrada temporal; es cerrada porque tú puedes regresar a tu punto de partida en ambos, espacio y tiempo; es temporal porque el tiempo cambia de un punto a otro a través de la curva. La declaración de que una curva cerrada temporal exista es solo una forma arbitraria de decir que tienes una máquina del tiempo.

Tal parece que el viaje al pasado luce imposible fuera del mundo de la ciencia ficción simplemente basándose en el sentido común ordinario dadas las paradojas a las cuales te puede conducir. Están tipificadas por la comúnmente llamada “Paradoja del abuelo”. De acuerdo con este escenario, donde es posible viajar al pasado, un viajero en el tiempo podría en principio, asesinar a su abuelo antes de que preñara a su abuela de su madre. En este caso, el nunca nacería, por lo que no habría hecho el viaje al pasado para asesinar a su abuelo, entrando en un ciclo sin fin. En resumen, la entrada del nieto a la máquina del tiempo, impide su entrada en la máquina. Tal situación paradójica que involucran contradicciones lógicas, son llamados “Bucles causales inconsistentes”. Las leyes de la física permiten que uno prediga que, en una situación dada, un cierto evento puede o no ocurrir. Por lo tanto, esos bucles pueden ser no permitidos.

Por algún tiempo, se creía que los warp drives y las máquinas del tiempo serían confinados al reino de la ciencia ficción dada la barrera lumínica relativista y las paradojas involucradas en el viaje en el tiempo al pasado. En las últimas décadas, la posibilidad del viaje superlumínico y el viaje al pasado se han considerado como una posibilidad real, al menos en principio, convirtiéndose en una materia de discusión seria entre los físicos. Mucho de esto es debido al artículo titulado “Wormholes, Time Machines en the Weak Energy Condition”, por tres físicos del California Institute of Technology: MS Morris, KS Thorne y U Yurtsever. Su artículo fue publicado en 1988 en el prestigioso Physical Review Letters. KS Thorne es uno de los más famosos y principales expertos en la Teoría General de la Relatividad y en la Teoría de la Gravedad de Einstein. El descubrimiento de esta última teoría siguió a la relatividad especial por casi una década. La relatividad general ofrece rendijas potenciales que podrían permitir que una civilización lo suficientemente avanzada encontrara una forma de evitar la barrera lumínica.

En cuanto en viajes hacia el futuro se refiere, es bien entendido por los físicos (Y así lo ha sido por más o menos un siglo) que no es posible. El viajar en el tiempo hacia el futuro implica un reto mayor que el paso normal del día a día. Viajar hacia el futuro es, de hecho, directamente relevante para la física observable ya que se considera que puede ocurrir con las partículas subatómicas en los aceleradores de alta energía, tales como el Fermi National Laboratory o el Large Hadron Collider (LHC), donde dichas partículas alcanzan velocidades muy cercanas a las de la luz (Enviar grandes cantidades de materia tales como personas o naves espaciales, a una distancia significativa al futuro, lo cual es posible en principio, requiere una cantidad tal de energía que la convierte en algo prohibido en la actualidad).

El descubrimiento de la Relatividad Especial es uno de los más grandes logros intelectuales en la historia de la física, y sin embargo, esta teoría solo involucra ideas simples y matemáticas no más avanzadas que el álgebra del bachillerato. Otra vez, sin embargo, otra vez, para entender que está pasando debes estirar tu pensamiento más allá de lo que observas en la vida diaria. La relatividad especial describe el comportamiento de objetos cuando sus velocidades se acercan a la velocidad de la luz. Como podemos observar, la relatividad especial no deja lugar a dudas sobre que el viaje al futuro es posible. Una de las predicciones más llamativas de la relatividad especial es que un reloj parece moverse más lentamente cuando está en movimiento relativo a un observador estacionario, un efecto llamado “dilatación del tiempo”. Este se vuelve significativo cuando la velocidad del reloj se acerca a c. La dilatación del tiempo esta estrechamente relacionada con la conocida “paradoja de los gemelos”. Es esencialmente el mismo fenómeno responsable del ‘viaje en el tiempo hacia el futuro’ que parece ocurrir para las partículas elementales en el Fermilab y el LHC.

A primera vista, el viaje a una velocidad superior a la de la luz podría verse como una extensión natural de un viaje ordinario a velocidad sub-luz, solo requiriendo el desarrollo de motores más poderosos, simple ¿No?. El viaje espacial en las historias de ciencia ficción de las décadas de 1930 y 1940, no involucraban violaciones de las leyes fundamentales de la física. La especulación de la ciencia ficción comenzó a realizarse en la práctica cerca de un cuarto de siglo después, cuando Neil Armstrong realizó su famoso “pequeño paso” en la superficie lunar. Sin embargo, los viajes superlumínicos involucran una violación de las leyes físicas conocidas, en este caso, la teoría general de la relatividad, con su barrera lumínica.

En ausencia de una máquina del tiempo, las observaciones diarias nos dicen que las leyes de la física son tales que los efectos siempre siguen causas en el tiempo. En consecuencia, el efecto no puede regresarse y prevenir la causa, y no pueden ocurrir bucles causales. Esto no sería cierto si existiese una máquina del tiempo, dado que un viajero en el tiempo puede observar el efecto y entonces viajar para bloquear la causa. Por lo tanto, podría parecer que la existencia de máquinas del tiempo (Esto es, para viajar al pasado) está prohibida, solo por sentido común. Por otra parte, vemos que en la relatividad especial, el viaje en el tiempo al pasado está estrechamente conectado al viaje superlumínico, así que las mismas objeciones de ‘sentido común’ se presenten para la posible construcción de un warp drive, además del ya citado problema de la barrera lumínica.

La teoría de la gravedad de Einstein, introduce un nuevo ingrediente a la mezcla. Combina espacio y tiempo en una estructura común denominada “Espacio-Tiempo”. El espacio y el tiempo pueden ser dinámicos (El espacio-tiempo tiene una estructura que se puede curvar y deformar). Einsten demostró que la deformación de la geometría del espacio y el tiempo es debida a la materia y la energía es responsable de lo que nosotros percibimos como gravedad. Una consecuencia de esto podrían ser los agujeros negros, los cuales se cree son el destino final de las estrellas más masivas. Cuando una de estas estrellas ‘muere’, implosiona en sí misma hasta un punto donde la luz emitida por la estrella es atraída de regreso, convirtiendo al objeto ‘invisible’.

Agujero de Gusano

Como podemos ver, las leyes de la relatividad general al menos sugieren que es posible curvar o deformar el espacio de manera tal, que podamos crear un atajo a través del espacio, y quizás, del tiempo, lo cual es conocido por los físicos relativistas como “agujeros de gusano (Wormholes)”. Los agujeros negros son uno de las referencias más comunes en las historias de ciencia ficción (Por ejemplo, Star Trek Deep Space Nine, Farscape, Stargate SG1, Sliders y un largo etcétera). Varios años antes del artículo de Morris, Thorne y Yurtsever, la posibilidad de una construcción real de un warp drive fue presentada en 1994 por Miguel Alcubierre (Ciudad de México, 1964), en ese entonces, en la University of Cardiff, Escocia, el cual fue publicado en Classical and Quantum Gravity. Haciendo uso de la relatividad general, Alcubierre expuso una manera en la cual el espacio-tiempo vacío podría curvarse o deformarse, similar a contener una burbuja en una alta velocidad arbitraria, visto desde la parte externa de la burbuja. Si podemos encontrar una forma de encerrar una nave espacial en esta burbuja, se podría mover a velocidad superlumínica, por ejemplo, vista desde un planeta exterior a la burbuja, así, alcanzaría una comprensión actual de un warp drive. Otro tipo de warp drive fue sugerido por Serguei Krasnikov en el Central Astronomical Observatory en St. Petesburg, Rusia, en 1997. Este “Tubo Krasnikov” es efectivamente un tubo de espacio-tiempo distorsionado que conecta a la Tierra con, digamos, una estrella distante.

Stephen Hawking en una escena de Star Trek con personajes del pasado y el futuro (Albert Einstein, Data e Isaac Newton)

¿Qué sabemos acerca de la posibilidad de crear un agujero de gusano o una burbuja como la ya mencionada? Veamos, aunque no sin esperanza, los prospectos no lucen prometedores. Una desventaja que todos comparten es que se requiere una forma inusual de materia y energía denominada “Materia Exótica” o “Energía Negativa” (Desde la famosa relación entre masa y energía de Einstein E=mc², normalmente se utilizan los términos “masa” y “energía” intercambiablemente). Un teorema de Stephen Hawking muestra que (Expresándolo libremente), si quieres construir una máquina del tiempo en una región finita del tiempo y el espacio, se requiere la presencia de una materia exótica. Como resultado, las leyes físicas de hecho permiten la existencia de la materia exótica o la energía negativa. Sin embargo, esas mismas leyes también parecen establecer severas restricciones sobre que puedes hacer con eso.

Uno podría pensar que las paradojas potenciales, tales como la del abuelo, hacen que carezca de sentido siquiera considerar la posibilidad de viajar hacia el pasado. Sin embargo, hay dos enfoques generales que podrían permitir que las leyes de la física se mantengan consistentes aún si el viaje en el tiempo fuera posible. La primera posibilidad es que las leyes de la física permitan que independientemente de la manera en que quieras eliminar a tu abuelo, algo pasará para evitarlo, por ejemplo, te resbalaras en una cáscara de plátano. Esta teoría es consistente, sin embargo, poco atractiva, dado que es difícil de entender como las leyes de la física podrían realizar los arreglos para asegurar la presencia de dicha cáscara. El otro enfoque hace uso de la idea de mundos paralelos. De acuerdo a esta idea, hay al menos dos mundos diferentes, uno en el que naciste e ingresaste a la máquina del tiempo y en el otro saliste de la máquina del tiempo y asesinaste a tu abuelo. No hay contradicción lógica en el hecho de que tú, de manera simultánea mataste y no mataste a tu abuelo, dado que estos eventos sucedieron en diferentes mundos. Sorprendentemente aquí hay una idea respetable en física denominada la “Interpretación de los muchos mundos de la mecánica cuántica”, presentada por primera vez en Reviews of Modern Physics en 1957 por Hugh Everett, de acuerdo a ello, no solo hay dos mundos paralelos, sino una infinidad de Tierras (Saludos a Compuerta 12), multiplicándose continuamente.

En un artículo publicado en 1991 en Physical Review, David Deutsch, de la Oxford University apunto que si la interpretación de muchos mundos es correcta, es posible que un asesino potencial viaje al pasado, podría descubrir que arribó a un ‘mundo diferente’ y que no hay tal paradoja que lo lleve a cometer el atroz crimen. Si esta interpretación es correcta, podría de hecho, eliminarse la paradoja problema.

Otro conjunto de situaciones en los cuales el viaje al pasado puede ocurrir involucra la presencia de uno de los varios tipos de sistemas cilíndricos de tipo cadena e infinitamente largos. En cada uno de estos casos es posible, corriendo en la dirección adecuada alrededor de un camino circular acercarse al objeto en cuestión, para regresar a tu punto de partida en el espacio antes de que tú lo dejaras. Un modelo de este tipo de cilindro rotatorio fue realizado por el profesor Ronald Mallet de la University of Connecticut, este modelo ha recibido una atención considerable en varios lugares, incluyendo libros de física y en el libro Time Traveler (2006), escrito por el propio Mallet. El profesor sugiere que un cilindro de luz laser transportado quizás por una configuración helicoidal de tuberías de luz podría utilizarse como la base para una máquina del tiempo. Dos artículos publicados por Ken Olum de Tufts University, muestran que el modelo de Mallet tiene serios defectos.

Finalmente, ¿Qué tan confiables son nuestras conclusiones dado el conocimiento actual? ¿Cómo podemos predecir que tecnología habrá en el siglo XXIII basándonos en las leyes físicas conocidas del siglo XXI? ¿Podrán las teorías futuras revertir estas ideas como ha sucedido con frecuencia en la historia de la ciencia? Los invito a tratar de contestar estas tres preguntas. Larga vida y prosperidad.

Referencias

Relative State Formulation of Quantum Theory - Hugh Everett.

Wormholes, Time Machines, and the Weak Energy Condition – Morris, Thorne & Yurtsever

Quantum mechanics near closed timelike lines - David Deutsch

Cosmic Strings and Chronology Protection – James D.E. Grant

Hawking’s chronology protection conjecture – Matt Visser

The warp drive:  hyper-fast travel within general relativity - Miguel Alcubierre

Hyperfast Interstellar Travel in General Relativity – Krasnikov

Can a circulating light beam produce a time machine? – Olum & Everett

Chronology Protection in String Theory - Joao˜ Penedone

The Origin of the Everettian Heresy - Osnaghi et al.

Closed Timelike Curves in Asymetrically Warped Brane Universes – Päs et al.

How to build a Time Machine – Stephen Hawking

Warp Drive Basic Science Written for “Aficionados”. Chapter 1 – Miguel Alcubierre

Causality-Violating Higgs Singlets at the LHC – Ho & Weiler

Time Traveler: The Memoir of Ronald L. Mallett – Website