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Artículo publicado por Jon Cartwright el 12 de noviembre de 2015 en physicsworld.com

Se ha medido el desorden, o entropía, en un sistema cuántico microscópico por parte de un grupo internacional de físicos. El equipo espera que su hazaña arroje luz sobre la “flecha del tiempo”: la observación de que el tiempo siempre avanza hacia el futuro. Su experimento implica cambiar continuamente el espín de unos átomos de carbono usando un campo magnético oscilante, y vincula el surgimiento de la flecha del tiempo con las fluctuaciones cuánticas entre un estado de espín atómico y otro.

Tiempo

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“Por esto es por lo que recordamos el ayer, y no el mañana”, explica Roberto Serra, miembro del grupo y físico especializado en información cuántica en la Universidad Federal de ABC en Santo André, Brasil. A un nivel fundamental, explica, las fluctuaciones cuánticas están implicadas en la asimetría del tiempo.

Sobre huevos

La flecha del tiempo es algo que se da por hecho en el mundo cotidiano. Vemos cómo se rompe un huevo, por ejemplo, pero nunca vemos a la yema, la clara, y los fragmentos de la cáscara volver a unirse para volver a formar el huevo. Parece obvio que las leyes de la naturaleza no son reversibles, aunque no existe nada en la física subyacente que lo diga. Las ecuaciones dinámicas de la rotura de un huevo funcionan del mismo modo hacia adelante y hacia atrás.

La entropía, sin embargo, proporciona una ventana hacia la flecha del tiempo. La mayoría de huevos tienen un aspecto similar, pero un huevo roto puede tomar cualquier número de formas: podría estar quebrado, revuelto, disperso por todo el suelo, etcétera. Un huevo roto es un estado desordenado – es decir, un estado de mayor entropía – y debido a que hay muchos más estados desordenados que ordenados, es más probable que un sistema progrese hacia el desorden que hacia el orden.

Este razonamiento probabilista está encapsulado en la Segunda Ley de la Termodinámica, que afirma que la entropía en un sistema cerrado siempre aumenta con el tiempo. De acuerdo con la Segunda Ley, el tiempo no puede súbitamente ir hacia atrás debido a que eso requeriría una disminución de la entropía. Es un argumento sólido para un sistema complejo compuesto de muchas interacciones de partículas, como un huevo pero, ¿qué pasa con un sistema compuesto por una única partícula?

Terreno pantanoso

Serra y sus colegas han penetrado en este terreno pantanoso con medidas de la entropía en un conjunto de átomos de carbono-13 contenidos en una muestra de cloroformo líquido. Aunque la muestra contenía aproximadamente un billón de moléculas de cloroformo, la naturaleza cuántica no interactiva de las moléculas implica que el experimento era equivalente a realizar la misma medida en un único átomo de carbono un billón de veces.

Serra y sus colegas aplicaron un campo magnético oscilante externo a la muestra, que cambiaba continuamente ls estado de espín de los átomos de carbono entre arriba y abajo. Aumentaron la intensidad de las oscilaciones del campo para aumentar la frecuencia del cambio de espín, y luego redujeron de nuevo la intensidad.

Si el sistema hubiese sido reversible, la distribución global de los estados de espín del carbono habrían sido los mismos al final y al inicio del proceso. Usando resonancia magnética nuclear y tomografía de estado cuántico, sin embargo, Serra y sus colegas midieron un aumento en el desorden entre los espines finales. Debido a la naturaleza cuántica del sistema, esto es equivalente a un aumento de entropía en un único átomo de carbono.

De acuerdo con los investigadores, la entropía aumenta para un único átomo debido a la velocidad a la que se le fuerza a cambiar su espín. Incapaz de mantener el ritmo de la intensidad de la oscilación del campo, el átomo empieza a fluctuar aleatoriamente, del mismo modo que un bailarín sin experiencia no logra mantener el ritmo con una música a un ritmo alto. “Es más fácil bailar a un ritmo bajo que a uno rápido”, señala Serra.

Aún quedan muchas dudas

El grupo ha logrado observar la existencia de la flecha del tiempo en un sistema cuántico, dice el experimentador Mark Raizen de la Universidad de Texas en Austin, en los Estados Unidos, que también ha estudiado la irreversibilidad en los sistemas cuánticos. Pero Raizen enfatiza que el grupo no ha observado el “arranque” de la flecha del tiempo. “Este [estudio] no zanja el debate sobre nuestra comprensión de la flecha del tiempo, aún quedan muchas dudas”, añade.

Una de esas cuestiones es si la flecha del tiempo está vinculada al entrelazamiento cuántico – el fenómeno por el cual dos partículas exhiben una correlación instantánea entre sí, incluso aunque estén separadas vastas distancias. Esta idea tiene casi 30 años de antigüedad y ha disfrutado de un reciente auge de popularidad. Sin embargo, este vínculo tiene menos que ver con el aumento de la entropía, y más con una imparable dispersión de la información cuántica.

Es más, Serra cree que aprovechando el entrelazamiento cuántico, incluso podría ser posible invertir la flecha del tiempo en un sistema microscópico. “Estamos trabajando en ello”, comenta. “En la siguiente generación de nuestro experimento sobre termodinámica cuántica exploraremos tales aspectos”.

Se informa de esta investigación en la revista Physical Review Letters.

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