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Demuestran que un sistema cuántico puede evolucionar, al mismo tiempo, hacia el pasado y el futuro

 

Un equipo internacional de físicos de varias universidades, entre ellas las de Bristol, Viena, e Islas Baleares, ha conseguido demostrar que los sistemas cuánticos pueden evolucionar simultáneamente a lo largo de dos flechas de tiempo opuestas, hacia el futuro y hacia el pasado.

El estudio, que aparece publicado en el último número de ‘ Nature Communications Physics‘, obliga a reconsiderar la forma en que se entiende y representa el flujo del tiempo en contextos donde las leyes cuánticas juegan un papel fundamental.

Durante siglos, filósofos y físicos han reflexionado sobre la naturaleza del tiempo. Sin embargo, en el mundo que nos rodea, nuestra propia experiencia indica que el tiempo fluye en una única dirección, desde el presente hacia al futuro, y nunca al contrario.

De hecho, en la naturaleza, todos los procesos tienden a evolucionar espontáneamente hacia estados más desordenados, y esa propensión puede usarse para identificar una flecha del tiempo concreta, que es la que todos experimentamos. En física, esto se describe en términos de ‘entropía’, que define la cantidad de desorden presente en un sistema.

«Si un fenómeno produce una gran cantidad de entropía -explica Giulia Rubino, de la Universidad de Bristol y primera firmante del estudio-, observar su inversión temporal es tan improbable que se vuelve esencialmente imposible. Sin embargo, cuando la entropía producida es lo suficientemente pequeña, existe una probabilidad no despreciable de que la inversión temporal de un fenómeno se produzca de forma natural».

Según la investigadora, «podemos tomar como ejemplo la secuencia de cosas que hacemos en nuestra rutina matinal. Si nos mostraran nuestra pasta de dientes moviéndose desde el cepillo hacia su tubo, no tendríamos ninguna duda de que estamos viendo una grabación rebobinada de nuestro día. Sin embargo, si apretamos el tubo suavemente de modo que solo salga una pequeña parte de la pasta de dientes, no sería tan improbable que la observemos volver a entrar en el tubo, succionada por la descompresión del propio tubo».

Bajo la dirección de Caslav Brukner, de la Universidad de Viena, los autores del estudio aplicaron esta idea al reino cuántico, una de cuyas peculiaridades es el principio de superposición cuántica, según el cual si dos estados de un sistema cuántico son posibles, entonces ese sistema podrá estar en ambos estados al mismo tiempo. Al extender este principio a las flechas del tiempo, resulta que los sistemas cuánticos que evolucionan en una u otra dirección temporal (la pasta de dientes que sale o vuelve al tubo), también pueden estar evolucionando simultáneamente a lo largo de la dirección temporal opuesta.

Base de las leyes del universo

«Aunque esta idea parece bastante absurda cuando se aplica a nuestra experiencia diaria -prosigue Rubino-, en su nivel más fundamental, las leyes del universo se basan en principios de la mecánica cuántica. Y eso nos hace preguntarnos por qué nunca encontramos estas superposiciones de flujos de tiempo en la naturaleza».

En palabras de Gonzalo Manzano, de la Universidad de las Islas Baleares y coautor de la investigación, «en nuestro trabajo, cuantificamos la entropía producida por un sistema que evoluciona en superposición cuántica de procesos con flechas de tiempo opuestas. Descubrimos que esto a menudo resulta en proyectar el sistema en una dirección de tiempo bien definida, correspondiente al proceso más probable de los dos. Y, sin embargo, cuando están involucradas pequeñas cantidades de entropía (por ejemplo, cuando se derrama tan poca pasta de dientes que se puede ver que se reabsorbe en el tubo), entonces se pueden observar físicamente las consecuencias de que el sistema haya evolucionado hacia adelante y hacia atrás, en ambas direcciones temporales y de forma simultánea».

Aparte de la característica fundamental de que el tiempo en sí podría no estar bien definido, el trabajo también tiene implicaciones prácticas en la termodinámica cuántica. Colocar un sistema cuántico en una superposición de flechas de tiempo alternativo podría ofrecer, por ejemplo, ventajas en el rendimiento de las máquinas térmicas y los refrigeradores.

«Aunque el tiempo a menudo se trata como un parámetro que aumenta continuamente -concluye Rubino- nuestro estudio muestra que las leyes que rigen su flujo en contextos de mecánica cuántica son mucho más complejas. Esto puede sugerir que necesitamos repensar la forma en que representamos esta cantidad en todos aquellos contextos donde las leyes cuánticas juegan un papel crucial».

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