¿Cómo es el tiempo en el mundo cuántico?

El tiempo no fluye en la misma dirección en el mundo cuántico

Demuestran que los sistemas cuánticos pueden evolucionar simultáneamente a lo largo de dos flechas de tiempo opuestas, tanto hacia adelante como hacia atrás en el tiempo.

El tiempo es uno de los grandes misterios del universo.

Una nueva investigación liderada por la Universidad de Bristol (Reino Unido) sugiere que el flujo del tiempo a nivel cuántico no tiene por qué ir en una sola dirección. Los sistemas cuánticos, en determinadas condiciones, pueden avanzar y retroceder en el tiempo.


¿Y si la flecha del tiempo observara fenómenos en los que los cambios de entropía son pequeños?

Este fue el punto de partida de la investigación que publican en la revista Communications Physics.

“Tomemos el caso de un gas en un recipiente”, explica Giulia Rubino, de la Universidad de Bristol y autora principal del estudio. “Supongamos que al principio, el gas ocupa solo la mitad del recipiente. Luego, imagine que retiramos la válvula que lo confinaba dentro de la mitad del recipiente, de modo que el gas ahora puede expandirse libremente por todo el recipiente”.


Las particulas  comenzarán a moverse libremente por todo el volumen del recipiente. Con el tiempo, el gas ocupará todo el recipiente.

“En principio, existe una probabilidad distinta de cero de que en algún momento el gas vuelva naturalmente a ocupar la mitad del recipiente, solo que esta probabilidad se hace menor cuanto mayor es el número de partículas que componen el gas”, dice Rubino.


Si únicamente hubiera tres partículas de gas en lugar de una enorme cantidad de gas sería posible que estas pocas partículas terminaran una vez más en la parte del recipiente desde donde originalmente comenzaron.


Entropía disminuyendo espontáneamente.

“Aunque el tiempo a menudo se trata como un parámetro que aumenta continuamente, nuestro estudio muestra que las leyes que gobiernan 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 ”, concluye Rubino.

Fuentes : Referencia: Giulia Rubino, Gonzalo Manzano, Časlav Brukner. Quantum superposition of thermodynamic evolutions with opposing time’s arrows. Communications Physics, 2021; 4 (1) DOI: 10.1038/s42005-021-00759-1

El tiempo se diluye en el universo cuántico

El tiempo cuántico está en una superposición de estados en la que pasado, presente y futuro se funden, y en la que los procesos de causa y efecto se invierten. Toda una promesa para la futura computación cuántica.

La superposición cuántica es una de las extrañas propiedades del mundo subatómico que permite a las partículas elementales de la materia estar simultáneamente en dos lugares o estados diferentes.

Tal como explicamos en otro artículo, para explicar la superposición de estados, el físico Erwin Schrödinger imaginó en 1935 un gato encerrado en una caja junto a una botella de gas venenoso y un plato de comida. El gato puede jugar con el dispositivo venenoso y morir o tomar el alimento y vivir, con una probabilidad del 50% para cada opción.

Según el mundo cuántico, el gato está en realidad vivo y muerto a la vez, en una superposición de estados, hasta que un observador (el científico), abre la caja para ver lo que ha pasado y se produce un salto cuántico que concreta la suerte del gato.

El gato de Schrödinger es solo un experimento imaginario que explica lo que supuestamente ocurre en el universo cuántico. Pero ahora, un grupo de físicos de la Universidad de Queensland, dirigido por Magdalena Zych, ha desarrollado otro experimento imaginario no menos sorprendente. Ha descubierto que la superposición de estados no sólo es una propiedad de las partículas elementales, sino también del tiempo. Eso significa que no solo el gato de Schrödinger está vivo y muerto a la vez, sino que está tomando el alimento y el veneno al mismo tiempo en un bucle interminable.

Dinámica incomprensible

Es decir, según este nuevo experimento imaginario, el tiempo cuántico está también en una superposición de estados en la que el pasado, el presente y el futuro se funden, y en la que los procesos de causa y efecto se invierten, convirtiendo el efecto en causa y la causa en efecto indistintamente, en una dinámica incomprensible para los sentidos.

«La secuencia de eventos puede convertirse en mecánica cuántica», explica uno de los autores de esta investigación, Igor Pikovski, del Centro de Ciencia e Ingeniería Cuántica del Instituto de Tecnología Stevens, en un comunicado

Y añade: “observamos el orden temporal cuántico, en el que no hay distinción entre un evento que causa el otro o viceversa. Al mismo tiempo, A puede causar B y B puede causar A, en un bucle cuántico que desdibuja las líneas de causa y efecto».

El trabajo, publicado en Nature Communications, se encuentra entre los primeros en revelar las propiedades cuánticas del tiempo.

Merced a estas propiedades cuánticas, el flujo del tiempo cuántico no sigue una flecha hacia el futuro, sino que está en un estado en el que la causa y el efecto pueden coexistir en una dirección que tanto avanza hacia adelante como retrocede hacia atrás (el pasado).

Superposición en el espacio

El experimento imaginario de este grupo de físicos no se desarrolla en una caja, sino que usa la imaginación para investigar qué pasaría con dos naves espaciales que estuvieran en la misma situación que el gato, es decir, afectadas por una superposición de estados.

En el primer momento del experimento imaginario, las dos naves acuerdan dispararse recíprocamente unos proyectiles y evitar daños. Y lo consiguen conviniendo los tiempos de los disparos: sabiendo cuándo va a disparar la otra nave, la atacada se desplaza un poco antes y escapa al proyectil. Si cualquiera de las naves dispara demasiado pronto, destruirá a la otra.

Hasta aquí, todo funciona tal como se desarrolla en el mundo ordinario. Pero los investigadores fueron más lejos e introdujeron en el experimento una teoría formulada por Einstein en 1915.

Según la relatividad general, la presencia de un objeto masivo ralentiza el flujo del tiempo, por lo que los investigadores imaginaron que colocaban un planeta cerca de una de las dos naves espaciales para ralentizar su flujo del tiempo.

Aunque conozca el momento en el que la otra nave va a efectuar el disparo, la nave cercana al planeta no evita su destrucción, ya que su tiempo ha dejado de coincidir con el de la nave atacante. Esa asincronía temporal, resultado de la relatividad general, habría acabado con una de las naves.

En la siguiente fase del experimento imaginario, los investigadores, en vez de introducir la relatividad general, recurrieron a la mecánica cuántica y pusieron al planeta en un estado de superposición de estados cerca de una de las naves.

Aspecto cuántico del tiempo

El resultado fue tan sorprendente como el que obtuvo Schrödinger hace casi 85 años: cerca de un planeta en superposición de estados, las dos naves son destruidas y sobreviven al mismo tiempo, porque la superposición del planeta se prolonga a la secuencia de ataques y desvíos programada por las dos naves.

En consecuencia, las naves estelares se destruyen y sobreviven simultáneamente en dos eventos separados,  ilustrando por primera vez cómo puede ocurrir este escenario cuántico y cómo puede verificarse científicamente.

«Mover planetas es difícil», dijo Pikovski. «Pero imaginarlo nos ayudó a examinar un   aspecto cuántico del tiempo que antes era desconocido», concluye.

Otro de los autores, Fabio Costa, de la Universidad de Queensland, añade  a su vez: «Aunque una superposición de planetas nunca sea posible, la tecnología permitió una simulación de cómo funciona el tiempo en el mundo cuántico, sin usar la gravedad».

Y destaca la importancia del hallazgo para las tecnologías futuras: los ordenadores cuánticos pueden aprovechar esta particularidad del tiempo cuántico para realizar operaciones de manera mucho más eficiente que los ordenadores actuales, sometidos a la secuencia fija del tiempo ordinario.

Referencia

Bell’s theorem for temporal order. Magdalena Zych et al. Nature Communications, volume 10, Article number: 3772 (2019). DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-019-11579-x

¿Qué es el espacio tiempo?

A las escalas más pequeñas, el espacio podría emerger a partir de cuantos. ¿Cómo podrían ser esos componentes básicos?

as personas siempre hemos subestimado el espacio. A fin de cuentas, no es más que vacío; un telón de fondo para todo lo demás. De igual modo, el tiempo simplemente transcurre sin cesar. Pero, si los físicos han aprendido algo en el arduo camino hacia la unificación de sus teorías, es que el espacio y el tiempo conforman un sistema de una complejidad tan asombrosa que puede desafiar los más fervientes esfuerzos por entenderlo.

Albert Einstein lo vio en noviembre de 1916. Un año antes había formulado su teoría de la relatividad general, la cual dicta que la gravedad, en lugar de ser una fuerza que se propaga a través del espacio, constituye una característica del espaciotiempo en sí. Cuando lanzamos una pelota al aire, cae al suelo porque la Tierra distorsiona el espaciotiempo circundante de tal modo que las trayectorias de la pelota y el suelo vuelven a cruzarse. En una carta a un amigo, Einstein consideró unir la relatividad general con la entonces incipiente mecánica cuántica. Eso no solo distorsionaría el espacio, sino que lo desmantelaría. Einstein apenas sabía por dónde empezar: «¡Cuánto me he atormentado ya de esta manera!», escribió.

CHRIS GASH

El físico nunca llegó demasiado lejos en ese empeño. Incluso hoy existen diferentes propuestas para formular una teoría cuántica de la gravedad. Sin embargo, las disputas al respecto eclipsan una importante verdad: todos los planteamientos implican que el espaciotiempo se deriva de algo más profundo, una idea que rompe con 2500 años de pensamiento científico y filosófico.

Caer en un agujero negro
Un imán de cocina muestra el problema: puede sujetar un clip contra la gravedad ejercida por toda la Tierra. La gravedad es mucho menos intensa que el magnetismo o que las fuerzas eléctricas o nucleares, de modo que, cualesquiera que sean sus efectos cuánticos, resultarán aún más débiles.

Así las cosas, el mejor banco de pruebas para estudiar la gravedad cuántica lo aportan los agujeros negros. «Son lo más parecido que tenemos a un experimento», apunta Ted Jacobson, de la Universidad de Maryland. Estos objetos sirven como atalayas teóricas: ¿qué ocurre cuando tomamos ecuaciones que funcionan a la perfección en condiciones de laboratorio y las extrapolamos a la situación más extrema que podemos concebir? ¿Revelará ello algún problema sutil?

La relatividad general predice que la materia que caiga en un agujero negro se comprimirá sin límite a medida que se aproxime al punto central; un callejón sin salida llamado «singularidad». No es posible extrapolar la trayectoria de un objeto más allá de la singularidad, ya que su línea de tiempo termina allí. Incluso hablar de «allí» resulta problemático, ya que el propio espaciotiempo deja de existir. Los investigadores esperan que una teoría cuántica de la gravedad actúe como un «microscopio» que permita resolver ese punto y estudiar qué sucede con la materia que cae.

Fuente:Investigacion y ciencia George MusserEs redactor colaborador de Scientific American y autor de los libros Spooky action at a distance y The complete idiot’s guide to string theory. Ha recibido los premios de periodismo científico del Instituto Americano de Física y de la Sociedad Americana de Astronomía.

Comentario de Manuel Antequera Menchén  se dice que los agujeros negros «comprimen» la materia ordinaria, sí; pero sólo hasta el límite de Planck, momento en que ocurre todo lo contrario: la materia se distiende -valga decir- «devuelta» a su estado original de punto cero, etéreo, de insólitas propiedades que no por seguir ignoradas conocemos menos sus efectos.

Enredados en el espaciotiempo

El proyecto It from Qubit se propone investigar si el espacio y el tiempo surgieron a partir del entrelazamiento cuántico de pequeños fragmentos de información.

EN SÍNTESIS

Varias investigaciones recientes sugieren que el espaciotiempo podría emerger a partir de unidades básicas de información. Dichos constituyentes estarían «trenzados» gracias al entrelazamiento cuántico. Un proyecto de reciente creación, It from Qubit, ha reunido a varios expertos en teoría cuántica de la información, física de partículas y teoría de cuerdas para explorar las implicaciones de esa idea

La meta última de la colaboración consiste en formular una teoría cuántica de la gravedad. Aún está por ver si los modelos matemáticos simplificados con los que trabajan los físicos pueden extenderse para describir nuestro universo.

hakespeare escribió que el mundo es un gran escenario. Los físicos tienden a estar de acuerdo con él; para ellos, ese escenario no es otra cosa que el espacio, visto a menudo como un mero telón de fondo sobre el que transcurre una obra protagonizada por fuerzas y campos. Según esta visión de las cosas, el espacio mismo no estaría hecho de nada más.

Los ordenadores cuánticos, como este prototipo de D-Wave Systems, podrían ayudar a los físicos a entender la gravedad. [KIM STALLKNECHT, REDUX PICTURES]

Sin embargo, hace un tiempo que los expertos han comenzado a poner en duda esta forma de pensar. El espacio (o, usando el lenguaje de la relatividad, el espaciotiempo) podría estar compuesto de pequeños fragmentos de información. Al interaccionar entre sí, esas unidades básicas darían lugar al espaciotiempo y a propiedades como su curvatura, que, a su vez, origina la gravedad. De ser correcta, la propuesta no solo explicaría la naturaleza del espaciotiempo, sino que ayudaría a encontrar la largamente buscada teoría cuántica de la gravedad: una formulación que combinase la relatividad general y la mecánica cuántica, dos teorías fundamentales que no parecen llevarse especialmente bien. Esta emocionante posibilidad ha llevado a centenares de físicos a reunirse cada tres meses bajo el auspicio de un nuevo proyecto de investigación: It from Qubit.

Aquí it («eso») hace referencia al espaciotiempo en sí. Qubit designa la unidad básica de información en física cuántica, algo similar a los bits de nuestros ordenadores pero a nivel cuántico. La idea que alimenta el proyecto es la posibilidad de que el universo emerja a partir de una especie de código subyacente: si los físicos lograsen descifrarlo, entenderían finalmente la naturaleza cuántica de los sucesos a gran escala que tienen lugar en el cosmos. Uno de los encuentros de It from Qubit (IfQ) se celebró en julio de 2016 en el Instituto Perimeter de Física Teórica, en Ontario. Los organizadores esperaban la participación de unos 90 científicos, pero se encontraron con tantas solicitudes que terminaron admitiendo a 200 y organizando hasta seis sesiones simultáneas en otras universidades. «Creo que se trata de una de las líneas de investigación más prometedoras, si no la que más, para dar con una teoría cuántica de la gravedad», asegura Netta Engelhardt, investigadora posdoctoral en la Universidad de Princeton que, aun sin formar parte oficial de IfQ, ha asistido a algunos de sus encuentros.

Al conjugar la computación cuántica con el estudio del espaciotiempo y la relatividad general, el proyecto pone en contacto a dos grupos de expertos que no suelen colaborar mucho entre sí: por un lado, especialistas en teoría cuántica de la información; por otro, físicos de altas energías y teoría de cuerdas. Hace más de un año, la Fundación Simons, una organización privada que fomenta la investigación en ciencia y matemáticas, concedió la subvención que permitió poner en marcha IfQ y financiar los trabajos de investigación y las reuniones. Desde entonces, el interés por el proyecto ha aumentado y los sucesivos encuentros han congregado a un número cada vez mayor de investigadores, tanto miembros de la colaboración como otros que simplemente se sienten atraídos por la idea. «El proyecto intenta dilucidar cuestiones de gran importancia pero también muy complejas», señala Beni Yoshida, investigador posdoctoral del Instituto Perimeter y colaborador de IfQ. «La colaboración es necesaria, ya que se trata de un problema que una persona sola no puede resolver.»

Incluso los expertos que no forman parte de IfQ han tomado nota. «Si la relación con la teoría cuántica de la información se demuestra tan exitosa como algunos anticipan, podría desencadenar la próxima revolución en nuestra comprensión del espaciotiempo», sostiene Brian Greene, teórico de cuerdas de la Universidad de Columbia que no está implicado en IfQ. «Es algo de enorme importancia y muy emocionante», apostilla.

Fuente Investigacion y Ciencia Clara Moskowitz Es redactora de Scientific American.

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