Descubren cómo revertir la flecha del tiempo

Un experimento cuántico ha puesto de manifiesto que la flecha del tiempo puede invertirse: el calor fluye espontáneamente de una partícula cuántica fría a otra más caliente bajo ciertas condiciones.

Lo explican en un artículo publicado en Arxiv científicos de la Universidad Federal de ABC en Brasil, señalando que el descubrimiento parece revertir la idea de que los procesos naturales avanzan siempre del pasado al futuro pasando por el presente, pero nunca al revés.

La expresión flecha del tiempo fue acuñada en 1927 por el astrónomo británico Arthur Eddington para describir esa propiedad unidireccional del tiempo, que no tiene su equivalente en el espacio. Para Eddington, la flecha del tiempo es una propiedad exclusiva de la entropía, la magnitud física que mide el grado de organización de un sistema termodinámico en equilibrio y  describe su irreversibilidad.

La existencia de la flecha del tiempo se desprende de la segunda ley de la termodinámica, según la cual la entropía o el desorden tienden a aumentar con el tiempo en un sistema cerrado. Esa ley explica por qué el calor fluye espontáneamente del calor al frío, pero no al revés.

El nuevo resultado, sin embargo, «muestra que la flecha del tiempo no es un concepto absoluto, sino un concepto relativo», dice el coautor del estudio Eric Lutz, físico teórico de la Universidad de Erlangen-Nürnberg en Alemania, según informa la revista ScienceNews.

Los diferentes sistemas pueden tener flechas del tiempo que apuntan en diferentes direcciones, añade Lutz. Si bien la flecha aparentemente se invirtió para las dos partículas cuánticas que estudiaron los investigadores, sin embargo, la flecha del tiempo apuntó en su dirección típica del pasado al futuro en el la mayor parte del experimento.

La flecha del tiempo está vinculada a las condiciones iniciales del universo, que son las que la determinan. El nuevo experimento ha puesto de manifiesto que si se consiguen crear en laboratorio sistemas con otras condiciones iniciales, diferentes a las que se dieron en el origen del universo, entonces es posible conseguir que la flecha del tiempo vaya del futuro al pasado, que el calor fluya de los objetos fríos a los calientes.

Moléculas de cloroformo

Lo han conseguido manipulando moléculas de cloroformo, que están hechas de átomos de carbono, hidrógeno y cloro. Los científicos prepararon estas moléculas para que la temperatura, a juzgar por la probabilidad de que el núcleo de un átomo se encuentre en un estado de energía superior, fuera mayor para el núcleo de hidrógeno que para el carbono.

Así descubrieron que, cuando los estados de energía de los dos núcleos no estaban entrelazados, el calor fluía normalmente, desde el hidrógeno caliente al carbono frío. Pero cuando los dos núcleos están sujetos al entrelazamiento cuántico de forma suficientemente fuerte, el calor fluye hacia atrás, calentando el núcleo caliente y enfriando el núcleo frío.

La clave está, según los investigadores, en usar el entrelazamiento cuántico para unir los núcleos antes del experimento. El entrelazamiento es un proceso cuántico mediante  el cual dos partículas cuánticas comparten la misma existencia, aunque estén separadas entre sí. Los investigadores usaron el entrelazamiento cuántico para crear condiciones iniciales originales en un sistema cuántico,  consiguiendo así que el tiempo discurra en sentido inverso, del futuro al pasado.

Cuando los núcleos se entrelazan cuánticamente, la relación de ambos núcleos impone límites a la forma en que se comportan las partículas, creando una especie de corriente que impulsa la energía térmica en la dirección opuesta. «Se observa un flujo de calor espontáneo desde el sistema frío al caliente», dicen los investigadores.

«Nuestros resultados sobre la flecha termodinámica del tiempo también pueden tener consecuencias estimulantes sobre la flecha cosmológica del tiempo», señalan los investigadores.

El experimento no funciona únicamente en sistemas cuánticos, sino también a niveles más complejos, ya que se ha observado que enormes cantidades de moléculas replican lo observado en el experimento. 

Por eso es posible  pensar en nuevas tecnologías en las que la flecha del tiempo discurre en sentido inverso. Los científicos esperan utilizar la extraña termodinámica de las partículas cuánticas para crear motores cuánticos que podrían realizar tareas más allá del alcance de las máquinas actuales.

Referencia

Reversing the thermodynamic arrow of time using quantum correlations. arXiv:1711.03323