viernes, 6 de abril de 2018

FLECHA TERMODIMÁMICA INVERSA DE CORRELACIONES CUÁNTICAS

La flecha termodinámica del tiempo



Algunas leyes no están destinadas a romperse. 
Tomemos la segunda ley de la termodinámica, que establece que la entropía, una medida del desorden, nunca disminuye en un sistema aislado. 
El vidrio se rompe, la crema se dispersa en el café, los huevos revolotean, pero nunca al revés.
Esta es la razón por la cual el calor siempre se mueve de caliente a frío: al hacerlo, aumenta la entropía general. La ley es tan fundamental para nuestra realidad física que algunos físicos creen que es responsable del aparente flujo de tiempo.

Sin embargo, los sistemas cuánticos, como siempre, tienen una manera de introducir excepciones desconcertantes a lo que parecen ser reglas inviolables. 
Un equipo de físicos ha hecho que el calor fluya espontáneamente de un objeto cuántico frío a uno caliente. El experimento subraya las relaciones íntimas entre información, entropía y energía que están siendo exploradas en el campo naciente de la termodinámica cuántica .

El equipo, con sede en Brasil, tomó una molécula que consistía en un átomo de carbono, un átomo de hidrógeno y tres átomos de cloro. Luego generaron un campo magnético para alinear los espines nucleares de las dos partículas cuánticas, o "qubits": Los núcleos de carbono e hidrógeno. Esto causó que los núcleos se vincularan, o se correlacionaran, convirtiéndolos en un todo único e inseparable, un estado cuántico de dos qubits.
Estas correlaciones hicieron posible el desconcertante comportamiento.

Tradicionalmente, la entropía es la medida del número de configuraciones diferentes en las que puede estar un sistema. En un sistema clásico, la entropía es igual a la suma de las entropías de cada una de sus partes.

En el mundo cuántico, las correlaciones afectan la entropía. Un sistema de dos qubits puede estar en uno de cuatro estados posibles, denotados por 00, 01, 10 y 11, y su entropía se define por la probabilidad de estar en cada uno de estos estados. Al comparar la entropía de los qubits individuales con la entropía del sistema correlacionado, los investigadores pueden medir la cantidad de correlación.

El experimento comienza con las dos partículas fuertemente correlacionadas. A medida que avanza el experimento, las partículas se desvinculan gradualmente y la correlación se debilita. "Eso significa que la suma de las entropías individuales disminuye", dijo Kaonan Micadei, investigador de la Universidad Federal de ABC en São Paulo, Brasil, quien participó en el estudio.


Si la entropía total de repente disminuye en un sistema regular, no correlacionado, violaría la segunda ley. Pero aquí, los investigadores toman en cuenta la correlación.
El debilitamiento de la correlación es similar a un "combustible que conduce el calor del cuerpo más frío al más caliente", dijo David Jennings , físico del Imperial College de Londres. El qubit frío se pone más frío, el qubit caliente más caliente. En otras palabras, el calor fluye de frío a caliente. Esto ocurre debido a "una compensación entre las correlaciones y la entropía", dijo Roberto Serra , físico de la Universidad Federal de ABC y director del grupo de investigación detrás del estudio.
  


Revista Lucy Reading-Ikkanda / Quanta; Fuente: arXiv: 1711.03323v1

La operación invierte efectivamente la flecha del tiempo, al menos en este sistema aislado. "La flecha termodinámica del tiempo se basa en la idea de que la entropía de un sistema cerrado solo puede aumentar o permanecer constante, pero nunca disminuir", dijo Micadei. "Al crear en el laboratorio un sistema aislado donde la entropía disminuye, en el sistema la flecha del tiempo debe apuntar en la dirección opuesta".
Los resultados muestran que "la flecha del tiempo no es un concepto absoluto; depende en gran medida de la elección de las condiciones iniciales, por lo que es relativo ", dijo Serra.
El efecto había sido predicho, pero esta fue la primera vez que se logró la reversión en un sistema físico. "Es una buena demostración experimental de un efecto físico muy conocido", dijo Seth Lloyd , físico del Instituto de Tecnología de Massachusetts y experto en información cuántica.

Sin embargo, los investigadores han jugado con la flecha del tiempo. En 2012, un equipo de ESPCI ParisTech y el CNRS en Francia persuadieron a las ondas de agua a que volvieran sobre su trayectoria original , invirtiendo la descripción matemática de la ola a tiempo. 
Y en 2016, otro equipo verificó una fórmula universal para distinguir la dirección de la flecha del tiempo usando un llamado punto c.
Si bien el documento actual no nos acercará a la construcción de una máquina del tiempo, podría tener implicaciones importantes para el mundo real.
Mauro Paternostro , físico de la Queen's University Belfast, está investigando formas de usar efectos similares para crear bombas de calor cuánticas que tengan una eficiencia increíblemente alta. "Las oportunidades que ofrece una termo máquina cuántica a gran escala serán increíblemente más grandes que las de sus versiones microscópicas", dijo.

El trabajo también podría influir en el pensamiento sobre los orígenes del universo. 
Un viejo enigma de la cosmología es por qué el universo comenzó en una configuración de baja entropía, lo que permite que la entropía aumente a lo largo de la historia del cosmos (y, presumiblemente, permitiendo que el tiempo fluya). Al conectar la entropía con el enredo, Serra espera que el experimento tenga "consecuencias estimulantes" para las discusiones sobre la flecha cosmológica del tiempo.
Fuente: QUANTA Magazine – Katia Moskvitch Escritora colaboradora – 02.abril.2018
Traducción libre de Soca

No hay comentarios: