Pensándolo bien...

El significado del tiempo es múltiple. Además de cuestionado en su existencia, que para el ciudadano de a pie, presionado por el reloj, le puede parecer una broma, lo cierto y verdad es que el tiempo es objeto de interrogante por los humanos desde hace, al menos, dos mil quinientos años. La respuesta nunca ha estado clara. Ahora que los científicos encaran con intensidad la teoría del todo, en un intento por compaginar los mundos microscópico y macroscópico, el tiempo no aparece en las ecuaciones, lo que contribuye de forma explícita a cuestionar si no se trata de una conjetura con la que intentamos explicar algo que no comprendemos.

Las alternativas interpretativas del tiempo se han dado en todo tiempo y lugar. Heráclito de Efeso, en torno al 500 a.C. proponía un “todo fluye”, que patentizaba de forma expresa el paso del tiempo, certificado por el propio Platón. Al tiempo, Parménides de Elea, proponía lo contrario, que todo permanece y nada cambia. Newton compartía la visión de que el Universo es un inmenso reloj, marcando el paso del tiempo en términos absolutos, cuya existencia era independiente de todo lo demás. Boltzmann, proponía en el siglo XIX que existían dos direcciones del tiempo indistinguibles, a imagen del espacio con arriba y abajo. Nada absoluto para Boltzmann, ni dirección objetiva y somos nosotros los que a través de nuestra percepción establecemos la dirección del mismo. Einstein, revolucionó el escenario, al incluirlo en sus ecuaciones como una dimensión más y con ello explicaba la gravedad, desde una concepción elástica, dependiente de la posición y de la velocidad del observador. Una ilusión resultaba ser el tiempo, como el propio Einstein indicó en un pésame a la familia de un amigo, al explicitar que el tiempo para los físicos es una ilusión. La Cuántica, introdujo una ponderación adicional al distinguir entre las cosas grandes y las pequeñas. Para las primeras, Eddington, que comprobó la curvatura de la luz en un eclipse, atribuyó una flecha del tiempo al mundo macroscópico, con carácter termodinámico, en la que coinciden en la misma dirección, entropía y avance del tiempo. La reversibilidad microscópica reinante en el mundo microscópico, se desentiende del tiempo y no tiene una dirección privilegiada para el tiempo. La cuestión que suscita es que no conocemos las “partículas de tiempo”. Curiosamente, la conexión cuántica-clásica, no desvela la emergencia del tiempo macroscópico a partir de unidades microscópicas. Se hace necesario unificar la teoría que describa lo grande y lo pequeño, aunque en algunas de las versiones formuladas no aparece el tiempo, como la gravedad cuántica de bucles, que compite con la teoría de cuerdas.

En otro ámbito microscópico, como el de los iones que penetran a través de una capa de material, muchos electrones resultan afectados por la distribución de los electrones restantes del material.  Son procesos rápidos, lo que complica su observación, pero hoy se ha llegado a su detección minuciosa. En los procesos de fusión nuclear, los iones de alta energía bombardean las paredes del reactor. La cuestión es que, siendo fácil estudiar el proceso a posteriori, como ocurre con toda la Química, que siempre estudia los procesos en diferido. En realidad, ha sido así, dado que no disponía de relojes capaces de funcionar en los tiempos relevantes a escala molecular. El tiempo de referencia en Química para los procesos en “directo” es el femtosegundo. Para todos los procesos implicados en los semiconductores, la relevancia es la misma.

En la Universidad Técnica de Viena se ha estudiado en la escala de femtosegundo el itinerario de las partículas individuales, penetrando materiales como grafeno o disufuro de molibdeno. Los electrones que intervienen son centrales y han sido objeto de una medición escrupulosa. Tomaron átomos de xenón, lo despojaron de entre 20 y 40 electrones de los 54 que tienen en estado neutro y los iones resultantes, fuertemente cargados positivamente, se enfocaron a una placa de material, que en el caso del grafeno tiene un espesor de un átomo de carbono. El proceso de reacción es tan rápido que hay que recurrir a procedimientos alternativos a la observación directa. Como el ión con alta carga positiva crea un campo eléctrico, afecta a los electrones del material y se mueven hacia la zona del impacto. En algún instante, el campo es tan fuerte, que arranca los electrones y los captura antes de impactar y entrar el ion en el material. El resultado es que se pone en juego mucha energía y se transfiere en muy poco tiempo y se emiten electrones. Al mismo tiempo, acuden electrones del material a compensar los electrones que faltan al ser liberados en el proceso. Esto supone que se forman grandes corrientes a escala atómica en tiempos muy cortos. Los electrones emitidos portan información del material del que proceden. Por balance energético, solamente emergen los electrones más rápidos y los restantes son recapturados y se reincorporan al material de nuevo. En el grafeno, los electrones son muy rápidos.

Los tiempos representativos de los procesos indicados son del orden del femtosegundo. Los iones precisan de esta escala de tiempo para penetrar en el material. La diferencia entre el procedimiento ahora propuesto y la medida mediante láseres de femtosegundo es que estos últimos depositan mucha energía en el material y alteran el proceso de forma sustancial. Por el contrario, el uso de iones cuya interacción es a través del campo eléctrico generado por iones desprovistos de gran cantidad de electrones, no alteran el proceso y se puede obtener información de procesos fundamentales relacionados con la exposición de la materia a los iones a los electrones o a la luz.

El femtosegundo es la referencia característica de la Química. Los enlaces se crean y destruyen en esta escala de tiempo y los electrones e iones implicados recorren las curvas de potencial de los distintos estados electrónicos implicados en los procesos químicos. No en vano, Ahmed Zewail, brillante premio Nobel en 1999, inauguró la rama conocida como Femtoquímica. Es la opción de asistir al discurso de los procesos moleculares en directo y no en diferido.