MECÁNICA CUÁNTICA - Comprueban la flecha del tiempo a nivel molecular

(imagen: APS/ Alan Stonebraker)

PETER MOON

El Universo en que vivimos posee dos propiedades fundamentales e inmutables: la flecha del tiempo y el aumento de entropía. Estas propiedades son tan inherentes a nuestro cotidiano que casi nunca nos detenemos a cuestionarlas.

La flecha del tiempo puede traducirse como el transcurso del tiempo, que es siempre unidireccional e irreversible: va del pasado en dirección hacia el futuro y nunca en sentido contrario. En tanto, la entropía está relacionada con la creciente desorganización del Universo, que surgió simple, en un punto infinitamente pequeño, caliente y denso, y empezó a expandirse y desorganizarse a partir del Big Bang para formar nubes de gas, galaxias, estrellas, planetas y eventualmente vida, en lo que constituye un camino sin retorno.

Las propiedades de la flecha del tiempo y del aumento de la entropía han sido puestas a prueba y confirmadas por los físicos en diversos ambientes y en distintas situaciones, pero siempre en circunstancias macroscópicas. La primera de éstas, no obstante, supeditada al aumento de la entropía, nunca se verificó en un ambiente cuántico microscópico, es decir, en el espacio atómico o subatómico; hasta ahora. 

En el mundo microscópico, la emergencia de la irreversibilidad intriga a los físicos, pues las leyes de la mecánica cuántica no tienen una dirección preferencial en el tiempo, esto es, no distinguen entre la flecha del tiempo y su reverso, o sea, el regreso al pasado. Esta aparente incompatibilidad entre una dirección preferencial del tiempo y las leyes microscópicas de la Física ha venido generando innumerables debates en el transcurso de décadas, y promete generar muchos más a partir de esta investigación.

Un artículo publicado recientemente en la revista Physical Review Letters detalla los resultados de un experimento pionero realizado por físicos brasileños, irlandeses y alemanes. Los científicos comprobaron por primera vez que la flecha del tiempo y su relación intrínseca con el aumento de la entropía también se manifiestan en un sistema cuántico aislado. Para ello, los investigadores estudiaron el comportamiento del espín (una propiedad magnética con acción similar a la de un imán o a la de la aguja de una brújula) del núcleo de un solo átomo, en este caso, del isótopo carbono 13, en una molécula de cloroformo.

El experimento se llevó a cabo en los laboratorios del Centro Brasileño de Investigaciones Físicas (CBPF), en Río de Janeiro, y los resultados están asociados con la investigación realizada en el Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología en Información Cuántica (INCT-IQ), que cuenta con apoyo de la FAPESP y del Consejo Nacional de Desarrollo Científico y Tecnológico (CNPq).

Para verificar la emergencia de la flecha del tiempo en un ambiente microscópico, los investigadores emplearon un aparato llamado Espectrómetro de Resonancia Magnética Nuclear (RMN), tal como lo explica un coautor de la investigación, el físico Roberto Menezes Serra, de la Universidad Federal del ABC, con sede en la localidad de Santo André (São Paulo, Brasil). Como el sistema cuántico tiene una energía muy baja, la muestra de espines se preparó a una temperatura a su vez bajísima.

Los átomos de carbono 13 se enfriaron a algunas mil millonésimas de grado por encima del cero absoluto: a - 273,15 grados Celsius. En tales condiciones, se sometió a los núcleos de carbono a un pulso de radiofrecuencia, cuya intensidad se modula en el tiempo a una frecuencia de 125 MHz, similar a la de las ondas de las emisoras de radio en frecuencia modulada (FM). “Se conoce a la temperatura de nuestro sistema como temperatura de espín, y el sistema permanece en ese estado durante algunas fracciones de segundo durante el experimento”, dice Menezes Serra.

Cuando los espines nucleares enfriados interactúan con las ondas de radio, cuya intensidad aumenta, cambian de estado e incrementan su energía interna. Este aumento ocurre rápidamente, lo cual hace que parte de la energía que absorben los espines aparezca de manera desorganizada: es como si los espines “temblasen”.

Una analogía con este proceso serían los pistones de un motor de combustión, que se mueven cuando los gases producto de la explosión del combustible se expanden en el cilindro. Cuando el pulso de radiofrecuencia se desconecta, parte de la energía que absorben los núcleos de carbono (la energía en forma desorganizada) debe disiparse en el medio ambiente en forma de calor. Y cuando esto sucede, el sistema regresa a su estado original, denominado equilibrio térmico.

Para revelar la flecha del tiempo, la estrategia aplicada en el experimento consistió en conectar y desconectar las ondas de radiofrecuencia a un ritmo alucinante, del orden de las milésimas de segundo. “Hicimos ese procedimiento tan rápido que no había tiempo para que el sistema intercambiase energía (calor) con el medio ambiente”, dice Menezes Serra. En esas condiciones, los investigadores detectaron la producción de entropía en un sistema cuántico; en otras palabras: observaron el origen del aumento de la entropía a nivel microscópico.

Fluctuaciones cuánticas

Los investigadores realizaron ese mismo proceso modulando las ondas de radio de manera reversa, disminuyendo la energía de las ondas en forma muy rápida y, por consiguiente, disminuyendo la energía del sistema de espines. Análogamente a lo que sucede en la compresión de la mezcla aire-combustible en un cilindro de un motor de combustión.

Los científicos compararon entonces qué sucedía con los núcleos de carbono durante el proceso de aumento y disminución de la energía de las ondas de radio, y detectaron una diferencia sutil entre ambos procesos. Ahora bien, si las leyes que gobiernan los sistemas cuánticos aislados son simétricas en el tiempo, este proceso también debería ser simétrico, ¿no es cierto? No fue eso lo que el equipo de investigadores constató. En efecto, detectaron una ligera asimetría durante el proceso de aumento y disminución de la energía en el núcleo de carbono. Pero, ¿de dónde surgió esa asimetría?

“Son las fluctuaciones cuánticas”, revela Menezes Serra. En el mundo microscópico de los átomos y de las partículas atómicas suceden cosas extrañas. El vacío, por ejemplo, es cualquier cosa, pero de ningún modo está vacío. Allí pueden borbotear, a partir de la nada, partículas subatómicas. Las mismas surgen y desaparecen sin previo aviso y como por encanto. Son fluctuaciones cuánticas.

En el caso de este experimento, se detectó un fenómeno similar en el cual las fluctuaciones están asociadas con las llamadas transiciones entre estados cuánticos del espín nuclear. Para graficar dicho fenómeno, imagínese el lector sujetando un péndulo. El mismo se mueve de un lado a otro, ¿cierto? Ahora supóngase que resolvió dar algunos pasos en cualquier dirección, siempre sujetando el péndulo en movimiento. Éste sigue moviéndose de un lado al otro, pero puede haber pequeños movimientos laterales imperceptibles, o el péndulo puede “temblar”, debido a la acción de caminar.

Ésta es una analogía para las fluctuaciones cuánticas en los espines nucleares cuando la intensidad de las ondas de radio cambia rápidamente. Fue precisamente eso lo que se observó en el experimento.

En otras palabras, el equipo internacional de científicos pudo constatar la emergencia de la flecha del tiempo en el ambiente cuántico al detectar en el experimento una asimetría entre un proceso y su reverso. Esta asimetría tiene su origen en las transiciones entre los estados cuánticos. Así es como aumenta la entropía del sistema. He allí el surgimiento de la flecha del tiempo en el mundo microscópico.

Pero, ¿y para qué sirve todo esto? ¿Qué aplicaciones prácticas tiene la determinación de la flecha del tiempo a nivel cuántico? “Nuestro grupo de investigación ha sido pionero en los experimentos en Termodinámica Cuántica”, afirma Menezes Serra. “Todo este esfuerzo apunta a comprender los fenómenos termodinámicos a escala microscópica y cuántica. Desde el punto de vista práctico, pretendemos entender los límites de la nueva tecnología cuántica a microescala.”

Ésta es una de las fronteras de la ciencia actual. A largo plazo, se espera que a partir de ella evolucionen tecnologías tales como la de las computadoras cuánticas, con potencial muchas veces superior a la computación tradicional. Otro dividendo será la criptografía cuántica con códigos inviolables, cuya seguridad puede estar garantizada por las leyes de la mecánica cuántica. “Es una de las tecnologías que dominarán el panorama en el siglo XXI”.

Los resultados de este experimento se dieron a conocer en el artículo intitulado Irreversibility and the Arrow of Time in a Quenched Cuantum Systen (doi: http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.115.190601) de T. B. Batalhão, R. M. Serra y otros, publicado enPhysical Review Letters y disponible en la siguiente dirección:http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.115.190601.

publicado originariamente en Agência Fapesp