Los físicos demuestran cómo invertir la flecha del tiempo

Uno de los desafíos más curiosos de la física es comprender la naturaleza del tiempo. A nivel microscópico, las leyes de la física son simétricas con respecto al tiempo: funcionan igual de bien tanto si el tiempo avanza como si retrocede. Pero a nivel macroscópico, todos los procesos tienen una dirección preferida. El gran físico Arthur Eddington llamó a esto la flecha del tiempo.

Por qué esta flecha apunta en una dirección pero no en la otra es uno de los grandes enigmas científicos. La respuesta estándar es que la flecha del tiempo se deriva de la Segunda Ley de la Termodinámica: que el desorden, o la entropía, siempre aumenta en un sistema cerrado.

Es por eso que la leche se mezcla fácilmente con el té pero nunca emerge de una infusión, por qué los huevos revueltos nunca se revuelven espontáneamente y por qué la taza de café de la mañana calienta tus manos mientras la sostienes y no al revés.

Pero hay otro factor en juego: las condiciones iniciales del universo. Por razones desconocidas, el universo primitivo estaba caliente y su energía se distribuía uniformemente. Este es un estado de baja entropía para un sistema dominado por la gravedad.

Con el tiempo, la entropía ha aumentado continuamente, y esto es lo que ha determinado en gran medida la flecha del tiempo.

Pero eso plantea una posibilidad interesante. Si las condiciones iniciales determinan la flecha del tiempo, tal vez sea posible crear sistemas en la Tierra con condiciones iniciales que obliguen a la flecha del tiempo a correr en la dirección opuesta. En estos sistemas, los huevos pudo descifrar y calentar espontáneamente pudo fluir de los objetos fríos a los calientes.

Hoy, Kaonan Micadei de la Universidad Federal de ABC en Brasil y algunos amigos han construido un sistema de este tipo por primera vez. En su experimento, la flecha del tiempo corre al revés, permitiéndoles observar un objeto frío calentando uno más caliente. La obra plantea la posibilidad de una nueva generación de dispositivos en los que la flecha del tiempo corre hacia atrás.

El nuevo y exótico sistema es una mezcla de cloroformo disuelto en quitaesmalte o acetona. El cloroformo, CHCl3, consta de un solo átomo de carbono, un solo átomo de hidrógeno y tres átomos de cloro.

Esto crea un patio de recreo perfecto para los físicos cuánticos, que pueden manipular los espines nucleares de los núcleos de carbono e hidrógeno individuales utilizando una técnica llamada resonancia magnética nuclear.

La idea es alinear los núcleos usando un fuerte campo magnético. Luego, los físicos usan pulsos de radio para cambiar uno o ambos giros, lo que hace que se correlacionen o se enreden. Y al escuchar las señales de radio emitidas por los núcleos, los físicos pueden determinar cómo evolucionan los estados cuánticos de los núcleos.

Al mismo tiempo, los núcleos de carbono e hidrógeno están en contacto térmico, lo que significa que la energía térmica puede fluir de uno a otro. El equipo puede controlar la temperatura de ambos núcleos calentándolos selectivamente mediante resonancia magnética nuclear. Cuando un núcleo es más caliente que el otro, el calor fluye naturalmente del caliente al más frío.

En el nuevo experimento, Micadei y compañía han observado lo contrario. Y la clave está en entrelazar los núcleos de antemano. El entrelazamiento es el extraño proceso cuántico en el que dos partículas cuánticas comparten la misma existencia. Es este fenómeno el que Micadei y compañía han explotado para crear el conjunto único de condiciones iniciales que permiten que el tiempo corra hacia atrás.

Cuando los núcleos están entrelazados, la correlación impone límites adicionales en la forma en que se comportan las partículas, lo que da como resultado una especie de motor que impulsa la energía térmica en la dirección opuesta. Observamos un flujo de calor espontáneo del sistema frío al caliente, dice el equipo.

Eso tiene implicaciones importantes para nuestra comprensión del tiempo y su relación con el entrelazamiento y la entropía. Nuestros resultados sobre la flecha termodinámica del tiempo también podrían tener consecuencias estimulantes sobre la flecha cosmológica del tiempo, dicen Micadei y compañía, lo que sugiere que correlaciones similares pueden ser responsables de las condiciones iniciales del universo.

Un punto significativo en este trabajo es que el fenómeno no se limita a los sistemas microscópicos. De hecho, estos experimentos de RMN funcionan en una escala macro en la que un gran número de moléculas contribuyen a la señal observada. Entonces, el resultado también puede permitir una nueva generación de dispositivos que conducen el calor de las regiones frías a las calientes.

Interesante trabajo sobre los fundamentos del tiempo.

Ref: arxiv.org/abs/1711.03323 : Invirtiendo la Flecha Termodinámica del Tiempo Usando Correlaciones Cuánticas

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