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
Traducción libre de Soca
No hay comentarios:
Publicar un comentario