Los físicos predicen la existencia de cristales de tiempo

Una de las ideas más poderosas de la física moderna es que el Universo se rige por la simetría. Ésta es la idea de que ciertas propiedades de un sistema no cambian cuando sufre una transformación de algún tipo.

Por ejemplo, si un sistema se comporta de la misma manera independientemente de su orientación o movimiento en el espacio, debe obedecer la ley de conservación de la cantidad de movimiento.

Si un sistema produce el mismo resultado independientemente de cuándo se lleve a cabo, debe obedecer la ley de conservación de la energía.

Tenemos que agradecer a la matemática alemana Emmy Noether esta poderosa forma de pensar. Según su famoso teorema, toda simetría equivale a una ley de conservación. Y las leyes de la física son esencialmente el resultado de la simetría.

Igualmente poderosa es la idea de romper la simetría. Cuando el universo muestra menos simetría que las ecuaciones que lo describen, los físicos dicen que la simetría se ha roto.

Un ejemplo bien conocido es la solución de baja energía asociada con la precipitación de un sólido a partir de una solución: la formación de cristales, que tienen una periodicidad espacial. En este caso, la simetría espacial se rompe.

Los cristales espaciales están bien estudiados y bien comprendidos. Pero plantean una pregunta interesante: ¿permite el universo la formación de periodicidades similares en el tiempo?

Hoy, Frank Wilczek del Massachussettsi Institute of Technology y Al Shapere de la Universidad de Kentucky, discuten esta cuestión y concluyen que la simetría del tiempo parece tan frágil como la simetría espacial a bajas energías.

Este proceso debería conducir a periodicidades que ellos llaman cristales de tiempo. Es más, los cristales de tiempo deberían existir, probablemente ante nuestras propias narices.

Exploremos esta idea con un poco más de detalle. Primero, ¿qué significa para un sistema romper la simetría de tiempo? Wilczek y Shapere lo ven así. Se imaginan un sistema en su estado de energía más bajo que está completamente descrito, independientemente del tiempo.

Debido a que se encuentra en su estado de energía más bajo, este sistema debería estar congelado en el espacio. Por lo tanto, si el sistema se mueve, debe romper la simetría de tiempo. Esto es equivalente a la idea de que el estado de energía más bajo tiene un valor mínimo en una curva en el espacio en lugar de en un solo punto aislado.

Eso en realidad no es tan extraordinario. Wilczek señala que un superconductor puede transportar una corriente, el movimiento de masa de electrones, incluso en su estado de energía más bajo.

El resto son esencialmente matemáticas. De la misma forma que las ecuaciones de la física permiten la formación espontánea de cristales espaciales, periodicidades en el espacio, por lo que también deben permitir la formación de periodicidades en el tiempo o cristales de tiempo.

En particular, Wilczrek considera la ruptura espontánea de la simetría en un sistema mecánico cuántico cerrado. Aquí es donde las matemáticas se vuelven un poco extrañas. La mecánica cuántica obliga a los físicos a pensar en valores imaginarios de tiempo o iTime, como lo llama Wilczek.

Muestra que las mismas periodicidades deberían surgir en el tiempo y que esto debería manifestarse como un comportamiento periódico de varios tipos de propiedades termodinámicas.

Eso tiene varias consecuencias importantes. En primer lugar está la posibilidad de que este proceso proporcione un mecanismo para medir el tiempo, ya que el comportamiento periódico es como un péndulo. La formación espontánea de un cristal de tiempo representa la aparición espontánea de un reloj, dice Wilczek.

Otra es la posibilidad de que sea posible aprovechar los cristales de tiempo para realizar cálculos utilizando energía cero. Como dice Wilczek, es interesante especular que un ... sistema mecánico cuántico cuyos estados podrían interpretarse como una colección de qubits, podría diseñarse para atravesar un paisaje programado de estados estructurados en el espacio de Hilbert a lo largo del tiempo.

En conjunto, este es un argumento simple. Pero la simplicidad es a menudo engañosamente poderosa. Por supuesto, habrá disputas sobre algunos de los problemas que esto plantea. Uno de ellos es que el movimiento que rompe la simetría del tiempo parece un poco desconcertante. Wilczek y Shapere reconocen esto: hablando en términos generales, lo que estamos buscando parece peligrosamente cercano al movimiento perpetuo.

Eso necesitará algo de defensa. Pero si alguien tiene el pedigrí para impulsar estas ideas, ese es Wilczek, un físico ganador del premio Nobel.

Esperamos con interés el debate que sigue.

Refs:

arxiv.org/abs/1202.2539 : Cristales de tiempo cuántico

arxiv.org/abs/1202.2537 Cristales de tiempo clásico

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