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Un universo atemporal es difícil de imaginar, pero no porque el tiempo sea un concepto técnicamente complejo o filosóficamente escurridizo. Hay una razón más estructural: imaginar la atemporalidad requiere que pase el tiempo. Incluso cuando intentas imaginar su ausencia, sientes que se mueve a medida que tus pensamientos cambian, tu corazón bombea sangre a tu cerebro y las imágenes, sonidos y olores se mueven a tu alrededor. Lo que es el tiempo no parece detenerse nunca. Incluso puedes sentirte entretejido en su tejido siempre en movimiento mientras experimentas cómo el Universo se une y se separa. Pero, ¿es así como funciona realmente el tiempo?
Según Albert Einstein, nuestra experiencia del pasado, presente y futuro no es más que “una ilusión obstinadamente persistente”. Según Isaac Newton, el tiempo no es más que telón de fondo, fuera de la vida. Y según las leyes de la termodinámica, el tiempo no es más que entropía y calor. En la historia de la física moderna, nunca ha habido una teoría ampliamente aceptada en la que el sentido móvil y direccional del tiempo sea fundamental. Muchas de nuestras descripciones más básicas de la naturaleza -desde las leyes del movimiento hasta las propiedades de las moléculas y la materia- parecen existir en un universo en el que el tiempo no transcurre realmente. Sin embargo, investigaciones recientes en diversos campos sugieren que el movimiento del tiempo podría ser más importante de lo que la mayoría de los físicos habían supuesto hasta ahora.
El tiempo es un elemento fundamental de la naturaleza.
Una nueva forma de física denominada teoría del ensamblaje sugiere que un sentido del tiempo direccional y en movimiento es real y fundamental. Sugiere que los objetos complejos de nuestro Universo que han sido fabricados por la vida, incluidos los microbios, los ordenadores y las ciudades, no existen fuera del tiempo: son imposibles sin el movimiento del tiempo. Desde esta perspectiva, el paso del tiempo no sólo es intrínseco a la evolución de la vida o a nuestra experiencia del Universo. También es el tejido material en constante movimiento del propio Universo. El tiempo es un objeto. Tiene un tamaño físico, como el espacio. Y puede medirse a nivel molecular en los laboratorios.
La unificación del tiempo y el espacio cambió radicalmente la trayectoria de la física en el siglo XX. Abrió nuevas posibilidades a nuestra forma de pensar sobre la realidad. ¿Qué podría hacer la unificación del tiempo y la materia en nuestro siglo? ¿Qué ocurre cuando el tiempo es un objeto?
Fpara Newton, el tiempo era fijo. En sus leyes del movimiento y la gravedad, que describen cómo los objetos cambian su posición en el espacio, el tiempo es un telón de fondo absoluto. El tiempo newtoniano pasa, pero nunca cambia. Y es una visión del tiempo que perdura en la física moderna: incluso en las funciones de onda de la mecánica cuántica el tiempo es un telón de fondo, no una característica fundamental. Para Einstein, sin embargo, el tiempo no era absoluto. Era relativo a cada observador. Describió nuestra experiencia del paso del tiempo como “una ilusión obstinadamente persistente”. El tiempo einsteniano es el que se mide por el tic-tac de los relojes; el espacio se mide por los tic-tac de las reglas que registran las distancias. Estudiando los movimientos relativos del tic-tac de los relojes y del tic-tac de las reglas, Einstein pudo combinar los conceptos de cómo medimos el espacio y el tiempo en una estructura unificada que ahora llamamos “espaciotiempo”. En esta estructura, el espacio es infinito y todos los puntos existen a la vez. Pero el tiempo, tal como lo describió Einstein, también tiene esta propiedad, lo que significa que todos los tiempos -pasado, presente y futuro- son igualmente reales. El resultado se denomina a veces “universo bloque”, que contiene todo lo que ha ocurrido y ocurrirá en el espacio y en el tiempo. Hoy en día, la mayoría de los físicos apoyan la noción del universo bloque.
Pero el universo de bloques fue descifrado incluso antes de que llegara. A principios del siglo XIX, casi un siglo antes de que Einstein desarrollara el concepto de espaciotiempo, Nicolas Léonard Sadi Carnot y otros físicos ya cuestionaban la noción de que el tiempo fuera un telón de fondo o una ilusión. Estos interrogantes continuarían en el siglo XIX, ya que físicos como Ludwig Boltzmann también empezaron a ocuparse de los problemas que planteaba un nuevo tipo de tecnología: el motor.
Aunque los motores podían utilizarse para producir energía eléctrica, su funcionamiento era muy sencillo.
Aunque los motores podían reproducirse mecánicamente, los físicos no sabían exactamente cómo funcionaban. La mecánica newtoniana era reversible; los motores, no. El sistema solar de Newton funcionaba igual de bien avanzando o retrocediendo en el tiempo. Sin embargo, si conducías un coche y se quedaba sin combustible, no podías hacer funcionar el motor marcha atrás, recuperar el calor generado y desquemar el combustible. Los físicos de la época sospechaban que los motores debían cumplir ciertas leyes, aunque éstas fueran desconocidas. Lo que descubrieron fue que los motores no funcionan a menos que el tiempo pase y tenga una dirección. Aprovechando las diferencias de temperatura, los motores impulsan el movimiento del calor de las partes calientes a las frías. A medida que avanza el tiempo, la diferencia de temperatura disminuye y puede realizarse menos “trabajo”. Ésta es la esencia de la segunda ley de la termodinámica (también conocida como ley de la entropía) que fue propuesta por Carnot y explicada más tarde estadísticamente por Boltzmann. La ley describe la forma en que un motor puede realizar menos “trabajo” útil con el paso del tiempo. Debes repostar de vez en cuando, y la entropía siempre debe aumentar.
¿Vivimos realmente en un universo que no necesita el tiempo como característica fundamental?
Esto tiene sentido en el contexto de motores u otros objetos complejos, pero no es útil cuando se trata de una sola partícula. No tiene sentido hablar de la temperatura de una sola partícula porque la temperatura es una forma de cuantificar la energía cinética media de muchas partículas. En las leyes de la termodinámica, el flujo y la direccionalidad del tiempo se consideran una propiedad emergente, más que un telón de fondo o una ilusión, una propiedad asociada al comportamiento de un gran número de objetos. Aunque la teoría termodinámica introdujo cómo el tiempo debía tener una direccionalidad en su paso, esta propiedad no era fundamental. En física, las propiedades “fundamentales” se reservan para aquellas propiedades que no pueden describirse en otros términos. Por tanto, la flecha del tiempo de la termodinámica se considera “emergente” porque puede explicarse en términos de conceptos más fundamentales, como la entropía y el calor.
Charles Darwin, trabajando entre la época de la máquina de vapor de Carnot y la aparición del universo de bloques de Einstein, fue de los primeros en ver claramente cómo la vida debe existir en el tiempo. En la frase final de Sobre el origen de las especies (1859), plasmó elocuentemente esta perspectiva: “[M]ientras este planeta ha ido avanzando cíclicamente según la ley fija de la gravedad, a partir de un principio tan simple se han desarrollado y están evolucionando infinitas formas de lo más bello y maravilloso”. La llegada de las “formas infinitas” de Darwin sólo puede explicarse en un universo donde el tiempo existe y tiene una clara direccionalidad.
Durante los últimos miles de millones de años, la vida ha evolucionado desde organismos unicelulares hasta organismos multicelulares complejos. Ha evolucionado de sociedades simples a ciudades rebosantes y, ahora, a un planeta potencialmente capaz de reproducir su vida en otros mundos. Estas cosas tardan en llegar a existir porque sólo pueden surgir mediante los procesos de selección y evolución.
Creemos que la visión de Darwin no profundiza lo suficiente. La evolución describe con precisión los cambios observados en las distintas formas de vida, pero hace mucho más que eso: es el único proceso físico de nuestro Universo que puede generar los objetos que asociamos con la vida. Esto incluye bacterias, gatos y árboles, pero también cosas como cohetes, teléfonos móviles y ciudades. Ninguno de estos objetos fluctúa hacia la existencia espontáneamente, a pesar de lo que los relatos populares de la física moderna puedan afirmar que puede ocurrir. Estos objetos no son casualidades aleatorias. Por el contrario, todos ellos requieren una “memoria” del pasado para fabricarse en el presente. Deben producirse a lo largo del tiempo, un tiempo que avanza continuamente. Y sin embargo, según Newton, Einstein, Carnot, Boltzmann y otros, el tiempo es inexistente o meramente emergente.
Los tiempos de la física y de la evolución son incompatibles. Pero esto no siempre ha sido obvio porque la física y la evolución tratan con diferentes tipos de objetos. La física, en particular la mecánica cuántica, trata con objetos simples y elementales: quarks, leptones y partículas portadoras de fuerza del Modelo Estándar. Dado que estos objetos se consideran simples, no requieren “memoria” para que el Universo los fabrique (suponiendo que se disponga de energía y recursos suficientes). Piensa en la “memoria” como una forma de describir el registro de acciones o procesos necesarios para construir un objeto determinado. Cuando llegamos a las disciplinas que se ocupan de la evolución, como la química y la biología, encontramos objetos que son demasiado complejos para producirse en abundancia de forma instantánea (incluso cuando se dispone de energía y materiales). Requieren memoria, acumulada a lo largo del tiempo, para producirse. Como comprendió Darwin, algunos objetos sólo pueden llegar a existir sólo mediante la evolución y la selección de ciertas grabaciones de la memoria para fabricarlos.
La evolución y la selección de ciertas grabaciones de la memoria para fabricarlos.
Esta incompatibilidad crea una serie de problemas que sólo pueden resolverse apartándose radicalmente de las formas actuales en que la física aborda el tiempo, sobre todo si queremos explicar la vida. Aunque las teorías actuales de la mecánica cuántica pueden explicar ciertas características de las moléculas, como su estabilidad, no pueden explicar la existencia del ADN, las proteínas, el ARN u otras moléculas grandes y complejas. Del mismo modo, se dice que la segunda ley de la termodinámica da lugar a la flecha del tiempo y a explicaciones sobre cómo los organismos convierten la energía, pero no explica la direccionalidad del tiempo, en la que se construyen formas infinitas a lo largo de escalas de tiempo evolutivas sin que se vislumbre un equilibrio final o una muerte por calor de la biosfera. La mecánica cuántica y la termodinámica son necesarias para explicar algunas características de la vida, pero no son suficientes.
Estos y otros problemas nos llevaron a desarrollar una nueva forma de pensar sobre la física del tiempo, que hemos denominado teoría del ensamblaje. Describe cuánta memoria debe existir para que una molécula o combinación de moléculas -los objetos de los que está hecha la vida- llegue a existir. En la teoría del ensamblaje, esta memoria se mide a través del tiempo como una característica de una molécula, centrándose en la memoria mínima necesaria para que esa molécula (o moléculas) lleguen a existir. La teoría del ensamblaje cuantifica la selección haciendo del tiempo una propiedad de los objetos que sólo podrían haber surgido mediante la evolución.
Empezamos a desarrollar esta nueva física considerando cómo surge la vida mediante cambios químicos. La química de la vida funciona combinatoriamente, ya que los átomos se unen para formar moléculas, y las combinaciones posibles crecen con cada enlace adicional. Estas combinaciones se hacen a partir de aproximadamente 92 elementos naturales, que los químicos calculan que pueden combinarse para construir hasta 1060 moléculas distintas – 1 seguido de 60 ceros. Para ser útil, cada combinación individual tendría que replicarse miles de millones de veces: piensa en cuántas moléculas se necesitan para crear una sola célula, por no hablar de un insecto o una persona. Hacer copias de cualquier objeto complejo lleva tiempo porque cada paso necesario para ensamblarlo implica una búsqueda en la inmensidad del espacio combinatorio para seleccionar qué moléculas tomarán forma física.
Los espacios combinatorios parecen aparecer cuando existe la vida
Considera las proteínas macromoleculares que los seres vivos utilizan como catalizadores dentro de las células. Estas proteínas están formadas por pequeños bloques moleculares llamados aminoácidos, que se combinan para formar largas cadenas que suelen tener entre 50 y 2.000 aminoácidos. Si cada proteína posible de 100 aminoácidos de longitud se ensamblara a partir de los 20 aminoácidos más comunes que forman las proteínas, el resultado no sólo llenaría nuestro Universo, sino 1023 universos.
El espacio de todas las moléculas posibles es difícil de comprender. Como analogía, considera las combinaciones que puedes construir con un determinado conjunto de ladrillos de Lego. Si el juego sólo contuviera dos ladrillos, el número de combinaciones sería pequeño. Sin embargo, si el juego contuviera miles de piezas, como el modelo Lego del Taj Mahal, de 5.923 piezas, el número de combinaciones posibles sería astronómico. Si tuvieras que construir específicamente el Taj Mahal según las instrucciones, el espacio de posibilidades sería limitado, pero si pudieras construir cualquier objeto Lego con esas 5.923 piezas, se produciría una explosión combinatoria de posibles estructuras que se podrían construir: las posibilidades crecen exponencialmente con cada bloque adicional que añades. Si conectaras cada segundo dos estructuras de Lego que ya hubieras construido, no podrías agotar todos los objetos posibles del tamaño del conjunto Lego Taj Mahal dentro de la edad del Universo. De hecho, cualquier espacio construido combinatoriamente a partir incluso de unos pocos bloques de construcción sencillos tendrá esta propiedad. Esto incluye todos los objetos celulares posibles construidos a partir de la química, todos los organismos posibles construidos a partir de diferentes tipos de células, todas las lenguas posibles construidas a partir de palabras o enunciados, y todos los programas informáticos posibles construidos a partir de todos los conjuntos de instrucciones posibles. El patrón aquí es que los espacios combinatorios parecen aparecer cuando existe la vida. Es decir, la vida es evidente cuando el espacio de posibilidades es tan grande que el Universo debe seleccionar sólo una parte de ese espacio para existir. La teoría del ensamblaje pretende formalizar esta idea. En la teoría del ensamblaje, los objetos se construyen combinatoriamente a partir de otros objetos y, del mismo modo que puedes utilizar una regla para medir el tamaño espacial de un objeto determinado, la teoría del ensamblaje proporciona una medida -llamada “índice de ensamblaje”- para medir el tamaño de un objeto en el tiempo.
La teoría del ensamblaje se basa en la teoría del ensamblaje.
En esta analogía, el conjunto Lego Taj Mahal equivale a una molécula compleja. Reproducir un objeto concreto, como un conjunto de Lego, de un modo que no sea aleatorio requiere una selección dentro del espacio de todos los objetos posibles. Es decir, en cada etapa de la construcción, deben seleccionarse objetos o conjuntos de objetos específicos entre el enorme número de combinaciones posibles que podrían construirse. Junto a la selección, también se requiere “memoria”: se necesita información en los objetos que existen para ensamblar el nuevo objeto específico, que se implementa como una secuencia de pasos que pueden completarse en un tiempo finito, como las instrucciones necesarias para construir el Taj Mahal de Lego. Los objetos más complejos requieren más memoria para llegar a existir.
En la teoría del ensamblaje, la complejidad de los objetos aumenta con el tiempo mediante el proceso de selección. A medida que los objetos se hacen más complejos, sus partes únicas aumentarán, lo que significa que la memoria local también debe aumentar. Esta “memoria local” es la cadena causal de acontecimientos en la que primero se “descubre” el objeto mediante la selección y luego se crea en múltiples copias. Por ejemplo, en la investigación sobre el origen de la vida, los químicos estudian cómo se unen las moléculas para convertirse en organismos vivos. Para que un sistema químico surja espontáneamente como “vida”, debe autorreplicarse formando, o catalizando, redes autosostenibles de reacciones químicas. Pero, ¿cómo “sabe” el sistema químico qué combinaciones debe realizar? Podemos ver la “memoria local” en acción en estas redes de moléculas que han “aprendido” a unirse químicamente de determinadas maneras. A medida que aumentan los requisitos de memoria, la probabilidad de que un objeto se haya producido por azar desciende a cero, porque el número de combinaciones alternativas que no se han seleccionado es demasiado elevado. Un objeto, ya sea un Taj Mahal de Lego o una red de moléculas, sólo puede producirse y reproducirse con memoria y un proceso de construcción. Pero la memoria no está en todas partes, es local en el espacio y en el tiempo. Esto significa que un objeto sólo puede producirse allí donde exista memoria local que pueda guiar la selección de qué piezas van dónde y cuándo.
En la teoría del ensamblaje, la “selección” se refiere a lo que ha surgido en el espacio de combinaciones posibles. Se describe formalmente mediante el número de copias y la complejidad de un objeto. El número de copias o concentración es un concepto utilizado en química y biología molecular que se refiere a cuántas copias de una molécula están presentes en un determinado volumen de espacio. En la teoría del ensamblaje, la complejidad es tan importante como el número de copias. Una molécula muy compleja que sólo exista como copia única no es importante. Lo que interesa a la teoría del ensamblaje son las moléculas complejas con un elevado número de copias, lo que indica que la molécula se ha producido por evolución. Esta medida de la complejidad también se conoce como “índice de ensamblaje” de un objeto. Este valor está relacionado con la cantidad de memoria física necesaria para almacenar la información necesaria para dirigir el ensamblaje de un objeto y establecer una direccionalidad en el tiempo de lo simple a lo complejo. Y, aunque la memoria debe existir en el entorno para dar existencia al objeto, en la teoría del ensamblaje la memoria también es una característica física intrínseca del objeto. De hecho, es el objeto.
Lvida son pilas de objetos que construyen otros objetos que construyen otros objetos: son objetos que construyen objetos, hasta el final. Algunos objetos surgieron hace relativamente poco tiempo, como las “sustancias químicas eternas” sintéticas hechas de compuestos químicos organofluorados. Otros surgieron hace miles de millones de años, como las células vegetales fotosintetizadoras. Los distintos objetos tienen distintas profundidades en el tiempo. Y esta profundidad está directamente relacionada tanto con el índice de ensamblaje como con el número de copias de un objeto, que podemos combinar en un número: una cantidad llamada “Ensamblaje”, o A. Cuanto mayor es el número de Ensamblaje, más profundo es un objeto en el tiempo.
Para medir el ensamblaje de un objeto en el tiempo, hay que tener en cuenta el número de copias.
Para medir el ensamblaje en un laboratorio, analizamos químicamente un objeto para contar cuántas copias contiene de una molécula determinada. A continuación, deducimos la complejidad del objeto, conocida como índice de ensamblaje molecular, contando el número de partes que contiene. Estas partes moleculares, como los aminoácidos de una cadena proteica, suelen deducirse determinando el índice de ensamblaje molecular de un objeto: un número de ensamblaje teórico. Pero no estamos deduciendo teóricamente. Estamos “contando” los componentes moleculares de un objeto mediante tres técnicas de visualización: la espectrometría de masas y la espectroscopia de infrarrojos y de resonancia magnética nuclear (RMN). Sorprendentemente, el número de componentes que hemos contado en las moléculas se corresponde con su número teórico de ensamblaje. Esto significa que podemos medir directamente el índice de ensamblaje de un objeto con equipos de laboratorio estándar.
Un número de ensamblaje elevado -un alto índice de ensamblaje y un alto número de copias- indica que puede ser fabricado de forma fiable por algo de su entorno. Podría tratarse de una célula que construye moléculas de alto Ensamblaje, como las proteínas, o de un químico que fabrica moléculas con un valor de Ensamblaje aún mayor, como el fármaco anticancerígeno Taxol (paclitaxel). Los objetos complejos con un elevado número de copias no llegaron a existir al azar, sino que son el resultado de un proceso de evolución o selección. No se forman por una serie de encuentros fortuitos, sino por selección en el tiempo. Más concretamente, una cierta profundidad en el tiempo.
Es como lanzar al aire las 5.923 piezas de Lego del Taj Mahal y esperar que se unan espontáneamente
Es un concepto difícil. Incluso a los químicos les cuesta entender esta idea, ya que es fácil imaginar que las moléculas “complejas” se forman por interacciones fortuitas con su entorno. Sin embargo, en el laboratorio, las interacciones fortuitas a menudo conducen a la producción de “alquitrán” en lugar de objetos de alto ensamblaje. El alquitrán es la peor pesadilla de un químico, una mezcla desordenada de moléculas que no pueden identificarse individualmente. Se encuentra con frecuencia en los experimentos sobre el origen de la vida. En la “sopa prebiótica” del químico estadounidense Stanley Miller experimento de 1953, los aminoácidos que se formaron al principio se convirtieron en un revoltijo negro inidentificable si el experimento se prolongaba demasiado (y los investigadores no impusieron ninguna selección para impedir que se produjeran cambios químicos). El problema en estos experimentos es que el espacio combinatorio de moléculas posibles es tan vasto para los objetos de alto ensamblaje que no se producen moléculas específicas en gran abundancia. El resultado es el “alquitrán”.
Es como lanzar al aire las 5.923 piezas del juego Lego Taj Mahal y esperar que se junten, espontáneamente, exactamente como especifican las instrucciones. Ahora imagina que coges las piezas de 100 cajas del mismo juego de Lego, las lanzas al aire y esperas 100 copias exactamente del mismo edificio. Las probabilidades son increíblemente bajas y podrían ser cero, si la teoría del ensamblaje va por buen camino. Es tan probable como que un huevo roto se reforme espontáneamente.
¿Pero qué ocurre con los objetos complejos que se producen de forma natural sin selección ni evolución? ¿Qué pasa con los copos de nieve, los minerales y los complejos sistemas de tormentas? A diferencia de los objetos generados por la evolución y la selección, éstos no necesitan explicarse a través de su “profundidad en el tiempo”. Aunque individualmente complejos, no tienen un alto valor de ensamblaje porque se forman aleatoriamente y no necesitan memoria para producirse. Tienen un número de copias bajo porque nunca existen en copias idénticas. No hay dos copos de nieve iguales, y lo mismo ocurre con los minerales y los sistemas de tormentas.
Una teoría del ensamblaje no sólo cambia cómo pensamos sobre el tiempo, sino cómo definimos la vida misma. Aplicando este enfoque a los sistemas moleculares, debería ser posible medir si una molécula se produjo mediante un proceso evolutivo. Eso significa que podemos determinar qué moléculas sólo podrían haber sido producidas por un proceso vivo, incluso si ese proceso implica químicas diferentes a las de la Tierra. De este modo, la teoría del ensamblaje puede funcionar como un sistema universal de detección de la vida que funciona midiendo los índices de ensamblaje y los números de copia de las moléculas en muestras vivas o no vivas.
En nuestro laboratorio experimentos, descubrimos que sólo las muestras vivas producen moléculas de alto ensamblaje. Nuestros equipos y colaboradores han reproducido este hallazgo utilizando una técnica analítica llamada espectrometría de masas, en la que las moléculas de una muestra se “pesan” en un campo electromagnético y luego se rompen en pedazos utilizando energía. Romper una molécula en pedazos nos permite medir su índice de ensamblaje contando el número de partes únicas que contiene. De este modo, podemos calcular cuántos pasos han sido necesarios para producir un objeto molecular y, a continuación, cuantificar su profundidad en el tiempo con equipos de laboratorio estándar.
Para verificar nuestra teoría de que los objetos de alto ensamblaje sólo pueden ser generados por la vida, el siguiente paso consistió en probar muestras vivas y no vivas. Nuestros equipos han podido tomar muestras de moléculas de todo el sistema solar, incluidos diversos sistemas vivos, fosilizados y abióticos de la Tierra. Estas muestras sólidas de piedra, hueso, carne y otras formas de materia se disolvieron en un disolvente y luego se analizaron con un espectrómetro de masas de alta resolución que puede identificar la estructura y las propiedades de las moléculas. Descubrimos que sólo los sistemas vivos producen abundantes moléculas con un índice de ensamblaje superior a un valor determinado experimentalmente de 15 pasos. El corte entre 13 y 15 es nítido, lo que significa que las moléculas fabricadas por procesos aleatorios no pueden superar 13 pasos. Creemos que esto es indicativo de una transición de fase en la que la física de la evolución y la selección debe tomar el relevo de otras formas de física para explicar cómo se formó una molécula.
Estos experimentos verifican que sólo los objetos con un número de ensamblaje suficientemente alto -moléculas muy complejas y copiadas- parecen encontrarse en la vida. Lo que es aún más emocionante es que podemos encontrar esta información sin saber nada más sobre la molécula presente. La teoría del ensamblaje puede determinar si las moléculas de cualquier parte del Universo proceden de la evolución o no, aunque no sepamos qué química se está utilizando.
La posibilidad de detectar moléculas altamente complejas y copiadas en la vida es una de las principales ventajas de la teoría del ensamblaje.
La posibilidad de detectar sistemas vivos en otros lugares de la galaxia es emocionante, pero más emocionante para nosotros es la posibilidad de un nuevo tipo de física y una nueva explicación de la vida. Como medida empírica de los objetos únicamente producibles por la evolución, el Ensamblaje desbloquea una teoría más general de la vida. Si la teoría se sostiene, su implicación filosófica más radical es que el tiempo existe como propiedad material de los objetos complejos creados por la evolución. Es decir, al igual que Einstein radicalizó nuestra noción del tiempo al unificarlo con el espacio, la teoría del ensamblaje apunta a una concepción radicalmente nueva del tiempo al unificarlo con la materia.
La teoría del ensamblaje explica objetos evolucionados, como moléculas complejas, biosferas y ordenadores
Es radical porque, como hemos señalado, el tiempo nunca ha sido fundamental en la historia de la física. Newton y algunos físicos cuánticos lo consideraban un telón de fondo. Einstein pensaba que era una ilusión. Y, en el trabajo de los estudiosos de la termodinámica, se entiende como una mera propiedad emergente. La teoría del ensamblaje trata el tiempo como algo fundamental y material: el tiempo es la materia de la que están hechas las cosas del Universo. Los objetos creados por la selección y la evolución sólo pueden formarse mediante el paso del tiempo. Pero no pienses en este tiempo como el tic-tac medido de un reloj o una secuencia de años naturales. El tiempo es un atributo físico. Piensa en él en términos de Ensamblaje, una propiedad intrínseca medible de la profundidad o el tamaño de una molécula en el tiempo.
Esta idea es radical porque también permite a la física explicar el cambio evolutivo. La física ha estudiado tradicionalmente los objetos que el Universo puede ensamblar espontáneamente, como las partículas elementales o los planetas. La teoría del ensamblaje, en cambio, explica los objetos evolucionados, como las moléculas complejas, las biosferas y los ordenadores. Estos objetos complejos sólo existen a lo largo de linajes en los que se ha adquirido información específica para su construcción.
Si seguimos esos linajes hacia atrás, más allá del origen de la vida en la Tierra hasta el origen del Universo, sería lógico sugerir que la “memoria” del Universo era menor en el pasado. Esto significa que la capacidad del Universo para generar objetos de alto ensamblaje está fundamentalmente limitada por su tamaño en el tiempo. Del mismo modo que un camión semirremolque no cabe en el garaje de una casa estándar, algunos objetos son demasiado grandes en el tiempo para llegar a existir en intervalos menores que su índice de ensamblaje. Para que en nuestro Universo existan objetos complejos como los ordenadores, antes tuvieron que formarse muchos otros objetos: estrellas, elementos pesados, vida, herramientas, tecnología y la abstracción de la informática. Esto lleva tiempo y depende críticamente de la trayectoria debido a la contingencia causal de cada innovación realizada. Es posible que el Universo primitivo no fuera capaz de la computación tal y como la conocemos, simplemente porque aún no existía suficiente historia. Tuvo que pasar el tiempo e instanciarse materialmente mediante la selección de los objetos constitutivos del ordenador. Lo mismo ocurre con las estructuras de Lego, los grandes modelos lingüísticos, los nuevos medicamentos farmacéuticos, la “tecnosfera” o cualquier otro objeto complejo.
Las consecuencias de que los objetos tengan una profundidad material intrínseca en el tiempo son de gran alcance. En el universo de bloques, todo se trata como estático y existente a la vez. Esto significa que los objetos no pueden ordenarse por su profundidad en el tiempo, y que la selección y la evolución no pueden utilizarse para explicar por qué existen unos objetos y no otros. Reconceptualizar el tiempo como una dimensión física de la materia compleja y establecer una direccionalidad para el tiempo podría ayudarnos a resolver estas cuestiones. Hacer que el tiempo sea material mediante la teoría del ensamblaje unifica varios conceptos filosóficos desconcertantes relacionados con la vida en un marco mensurable. El núcleo de esta teoría es el índice de ensamblaje, que mide la complejidad de un objeto. Es una forma cuantificable de describir el concepto evolutivo de selección, mostrando cuántas alternativas se excluyeron para dar lugar a un objeto determinado. Cada paso del proceso de ensamblaje de un objeto requiere información, memoria, para especificar lo que debe y no debe añadirse o cambiarse. Al construir el Taj Mahal de Lego, por ejemplo, debemos seguir una secuencia específica de pasos, cada uno de los cuales nos dirige hacia la construcción final. Cada paso en falso es un error, y si cometemos demasiados errores no podremos construir una estructura reconocible. Copiar un objeto requiere información sobre los pasos que se necesitaron anteriormente para producir objetos similares.
Esto convierte a la teoría del ensamblaje en una teoría de la construcción.
Esto convierte a la teoría del ensamblaje en una teoría causal de la física, porque la estructura subyacente de un espacio de ensamblaje -la gama completa de combinaciones necesarias- ordena las cosas en una cadena de causalidad. Cada paso depende de un paso previamente seleccionado, y cada objeto depende de un objeto previamente seleccionado. Si elimináramos cualquier paso de una ruta de ensamblaje, no se produciría el objeto final. Las palabras de moda asociadas a menudo con la física de la vida, como “teoría”, “información”, “memoria”, “causalidad” y “selección”, son materiales porque los propios objetos codifican las reglas para ayudar a construir otros objetos “complejos”. Éste podría ser el caso de la catálisis mutua, en la que los objetos se fabrican recíprocamente. Así, en la teoría del ensamblaje, el tiempo es esencialmente lo mismo que la información, la memoria, la causalidad y la selección. Todos ellos se hacen físicos porque suponemos que son características de los objetos descritos en la teoría, no las leyes de cómo se comportan estos objetos. La teoría del ensamblaje reintroduce en la física un sentido del tiempo expansivo y en movimiento, mostrando cómo su paso es la materia de la que están hechos los objetos complejos: el tamaño del futuro aumenta con la complejidad.
La teoría del ensamblaje reintroduce en la física un sentido del tiempo expansivo y en movimiento.
Testa nueva concepción del tiempo podría resolver muchos problemas abiertos en la física fundamental. El primero y más importante es el debate entre determinismo y contingencia. Es famoso que Einstein dijera que Dios “no juega a los dados”, y muchos físicos siguen viéndose obligados a concluir que el determinismo es válido y que nuestro futuro está cerrado. Pero la idea de que las condiciones iniciales del Universo, o de cualquier proceso, determinen el futuro siempre ha sido un problema. En la teoría del ensamblaje, el futuro está determinado, pero no hasta que sucede. Si lo que existe ahora determina el futuro, y lo que existe ahora es mayor y más rico en información que en el pasado, entonces los futuros posibles también crecen a medida que los objetos se hacen más complejos. Esto se debe a que existe más historia en el presente a partir de la cual ensamblar estados futuros novedosos. Tratar el tiempo como una propiedad material de los objetos que crea permite generar novedad en el futuro.
La novedad es fundamental para nuestra comprensión de la vida como fenómeno físico. Nuestra biosfera es un objeto que tiene al menos 3.500 millones de años según la medida del tiempo del reloj (la Asamblea es una medida diferente del tiempo). Pero, ¿cómo empezó la vida? ¿Qué permitió a los sistemas vivos desarrollar inteligencia y conciencia? La física tradicional sugiere que la vida “surgió”. El concepto de emergencia capta cómo parecen aparecer nuevas estructuras en niveles superiores de organización espacial que no podían predecirse a partir de niveles inferiores. Algunos ejemplos son la humedad del agua, que no se puede predecir a partir de moléculas de agua individuales, o el modo en que las células vivas están formadas por átomos individuales no vivos. Sin embargo, los objetos que la física tradicional considera emergentes pasan a ser fundamentales en la teoría del ensamblaje. Desde esta perspectiva, lo “emergente” de un objeto -hasta qué punto se aleja de las expectativas de un físico sobre los bloques elementales de construcción- depende de lo profundo que se encuentre en el tiempo. Esto nos orienta hacia los orígenes de la vida, pero también podemos viajar en la otra dirección.
Si vamos por buen camino, la teoría del ensamblaje sugiere que el tiempo es fundamental. Sugiere que el cambio no se mide con relojes, sino que está codificado en cadenas de acontecimientos que producen moléculas complejas con diferentes profundidades en el tiempo. Ensamblados a partir de la memoria local en la inmensidad del espacio combinatorio, estos objetos registran el pasado, actúan en el presente y determinan el futuro. Esto significa que el Universo se expande en el tiempo, no en el espacio -o quizás el espacio surge del tiempo, como sugieren muchas propuestas actuales de la gravedad cuántica. Aunque el Universo sea totalmente determinista, su expansión en el tiempo implica que el futuro no puede predecirse totalmente, ni siquiera en principio. El futuro del Universo está más abierto de lo que podríamos prever.
El tiempo puede ser un tejido en constante movimiento a través del cual experimentamos que las cosas se juntan y se separan. Pero el tejido hace algo más que moverse: se expande. Cuando el tiempo es un objeto, el futuro tiene el tamaño del Universo.
Publicado en colaboración con el Santa Fe Institute, socio estratégico de Aeon.
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es astrobióloga y física teórica en la Universidad Estatal de Arizona, donde es subdirectora del Centro Beyond para Conceptos Fundamentales de la Ciencia y profesora en la Escuela de Exploración de la Tierra y el Espacio. También es profesora externa del Instituto Santa Fe y becaria del Instituto Berggruen.
is Regius Chair of Chemistry at the University of Glasgow in Scotland and CEO of Chemify.
