CAFÉ enfría, EDIFICIOS desmoronan, los huevos se rompen y las estrellas esfumarse en un universo que parece destinada a degradar en un estado de monotonía uniforme conocido como el equilibrio térmico. El astrónomo y filósofo Sir Arthur Eddington en 1927 citó la dispersión gradual de la energía como evidencia de una irreversible "flecha del tiempo".
Sin embargo, para el desconcierto de las generaciones de físicos, no parece que la flecha del tiempo a seguir de las leyes fundamentales de la física, que funcionan de la misma en el futuro en el tiempo como a la inversa. Por esas leyes, parecía que si alguien conocía los caminos de todas las partículas del universo y les volteó, la energía se acumularía en lugar de dispersarse: café tibio se calentaría espontáneamente, los edificios se levantan de sus escombros y la luz solar podría escabullirse de nuevo en el sol.
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"En la física clásica, estábamos luchando", dijo Sandu Popescu, un profesor de física en la Universidad de Bristol en el Reino Unido. "Si supiera más, podría revertir el evento, juntar todas las moléculas del huevo que se rompió? Por qué estoy relevante? "
Sin duda, dijo, la flecha del tiempo no es dirigido por la ignorancia humana. Y, sin embargo, desde el nacimiento de la termodinámica en la década de 1850, el único método conocido para el cálculo de la propagación de la energía era formular distribuciones estadísticas de las trayectorias desconocidas de partículas, y muestran que, con el tiempo, la ignorancia unta las cosas. "
Ahora, los físicos están desenmascarar una fuente más fundamental de la flecha del tiempo: la energía se dispersa y objetos equilibre, dicen, debido a la forma partículas elementales se entrelazan cuando interactúan - un extraño efecto llamado "entrelazamiento cuántico.”
“Por último, podemos entender por qué una taza de café se equilibra en una habitación ", dijo Tony corto, un físico cuántico en Bristol. "El enredo se acumula entre el estado de la taza de café y el estado de la habitación.”
Popescu, Short y sus colegas Noé Linden y Andreas Winter reportaron el descubrimiento en la revista Physical Review E en 2009, con el argumento de que los objetos alcancen el equilibrio, o un estado de distribución de energía uniforme, dentro de una cantidad infinita de tiempo al convertirse cuántica enredados mecánicamente con su alrededores. Resultados similares de Peter Reimann de la Universidad de Bielefeld en Alemania aparecieron varios meses antes en Physical Review Letters.
Short y un colaborador reforzó el argumento en el año 2012, mostrando que el entrelazamiento hace que el equilibrio dentro de un tiempo finito. Y, en la obra que fue publicada en el sitio pre-impresión científica arXiv.org en febrero, dos grupos separados han dado el siguiente paso, el cálculo de que la mayoría de los sistemas físicos se equilibran rápidamente, en escalas de tiempo proporcional a su tamaño. "Para demostrar que es relevante para nuestro mundo físico real, los procesos tienen que estar ocurriendo en escalas de tiempo razonable", dijo Short.
La tendencia de café - y todo lo demás - para alcanzar el equilibrio es "muy intuitivo", dijo Nicolas Brunner, un físico cuántico de la Universidad de Ginebra. "Pero cuando se trata de explicar por qué sucede, esta es la primera vez que se haya obtenido por motivos empresa tomando en consideración una teoría microscópica."
Si la nueva línea de investigación es correcta, entonces la historia de la flecha del tiempo comienza con la idea de mecánica cuántica que, en el fondo, la naturaleza es inherentemente incierto. Una partícula elemental carece de propiedades físicas definidas y se define solamente por las probabilidades de estar en varios estados. Por ejemplo, en un momento determinado, una partícula podría tener una probabilidad del 50 por ciento de las agujas del reloj de hilado y un 50 por ciento de posibilidades de hacer girar en sentido antihorario. Un teorema probado experimentalmente por el físico de Irlanda del Norte John Bell, afirma que no existe un estado "verdadero" de la partícula; las probabilidades son la única realidad que puede ser atribuido a que ".
Quantum incertidumbre entonces da lugar a enredo, la fuente putativo de la flecha del tiempo.
Cuando dos partículas interactúan, que ya ni siquiera se pueden describir por su propia cuenta, que evoluciona de forma independiente probabilidades, llamados "estados puros". En cambio, se convierten en componentes entrelazados de una distribución de probabilidad más complicado que describe las dos partículas entre sí. Se podría dictar, por ejemplo, que las partículas giren en direcciones opuestas. El sistema en su conjunto se encuentra en estado puro, pero el estado de cada partícula individual es "mixta" con la de su amistad. Los dos podían viajar años luz de distancia, y el giro de cada permanecerían correlacionada con la de la otra, una característica Albert Einstein describió famoso como "acción fantasmal a distancia.”
“El entrelazamiento es en cierto sentido la esencia de la mecánica cuántica ", o las leyes que gobiernan las interacciones en la escala subatómica, dijo Brunner. El fenómeno subyace en la computación cuántica, criptografía cuántica y la teleportación cuántica.
La idea de que el entrelazamiento podría explicar la flecha del tiempo se produjo primero en Seth Lloyd hace unos 30 años, cuando era un estudiante de filosofía graduado de 23 años de edad, en la Universidad de Cambridge con un grado de física de Harvard. Lloyd se dio cuenta de que la incertidumbre cuántica, y la forma en que se propaga en forma de partículas vuelven cada vez más enredado, podría sustituir a la incertidumbre humana en las antiguas clásicas pruebas como la verdadera fuente de la flecha del tiempo.
Utilizando un enfoque oscura a la mecánica cuántica que trataban a las unidades de información, sus bloques de construcción básicos, Lloyd pasó varios años estudiando la evolución de las partículas en función de arrastrar los pies 1s y 0s. Se encontró que a medida que las partículas se enredaron cada uno con el otro, la información que les describió originalmente (un "1" para el giro hacia la derecha y un "0" para la izquierda, por ejemplo) se desplazaría para describir el sistema de partículas entrelazadas en su conjunto . Era como si las partículas pierden gradualmente su autonomía individual y se convirtieron en peones del estado colectivo.
Con el tiempo, las correlaciones contenían toda la información, y las partículas individuales contenían ninguna. En ese momento, Lloyd descubrió, partículas llegaron a un estado de equilibrio, y sus estados dejaron cambiar, como el café que se ha enfriado a temperatura ambiente.
“Lo que realmente está pasando es cosas son cada vez más correlacionados entre sí ", recuerda Lloyd darse cuenta. "La flecha del tiempo es una flecha de aumento de correlaciones.”
La idea, presentada en 1988 en su tesis doctoral, cayó en oídos sordos. Cuando se sometió a una revista, se le dijo que no había "la física en este documento." Teoría de la información cuántica "era profundamente impopular" en el momento, Lloyd dijo, y las preguntas sobre la flecha del tiempo "fuera por chalados y premios Nobel que han vuelto blando en la cabeza. ", recuerda un físico que le decía.
“Estaba maldito cerca de la conducción de un taxi ", dijo Lloyd.
Los avances en la computación cuántica ya se han convertido teoría de la información cuántica en una de las ramas más activas de la física. Lloyd es ahora profesor en el Instituto de Tecnología de Massachusetts, reconocido como uno de los fundadores de la disciplina, y su idea pasa por alto ha resurgido en una forma más fuerte en las manos de los físicos Bristol. Las pruebas más recientes son más generales, los investigadores dicen, y valen para prácticamente cualquier sistema cuántico.
"Cuando Lloyd propuso la idea en su tesis, el mundo no estaba listo", dijo Renato Renner, director del Instituto de Física Teórica en la ETH Zurich. "Nadie lo entendió. A veces usted tiene que tener la idea en el momento adecuado.”
En 2009, la prueba del grupo Bristol resonó con teóricos de la información cuántica, la apertura de nuevos usos para sus técnicas. Se demostró que a medida que los objetos interactúan con su entorno - como las partículas en una taza de café chocan con el aire, por ejemplo, - información sobre sus propiedades "se escapa y llega a ser untados sobre todo el medio ambiente", explicó Popescu. Esta pérdida de información local hace que el estado del café a estancarse incluso cuando el estado puro de toda la sala sigue evolucionando. A excepción de las fluctuaciones raras, al azar, dijo, "su estado deja de cambiar en el tiempo.”
En consecuencia, una taza tibia de café no se calienta espontáneamente. En principio, ya que el estado puro de la habitación evoluciona, el café podría convertirse repentinamente sin mezcla del aire y entrar en un estado puro de su propio. Pero hay tantos estados mixtos más que estados puros disponibles para el café que esto casi nunca sucede - uno tendría que sobrevivir al universo para presenciarlo. Este improbabilidad estadística da tiempo de flecha la aparición de irreversibilidad. "Esencialmente entrelazamiento abre un espacio muy grande para ti," dijo Popescu. "Es como si estuviera en el parque y se inicia junto a la puerta, lejos del equilibrio. A continuación, entrar y tienes este enorme lugar y perderse en ella. Y nunca vuelvas a la puerta.”
En la nueva historia de la flecha del tiempo, es la pérdida de información a través de entrelazamiento cuántico, en lugar de la falta subjetiva del conocimiento humano, que impulsa una taza de café en equilibrio con el ambiente circundante. La habitación finalmente se equilibra con el ambiente exterior, y el medio ambiente se desplaza aún más lentamente hacia el equilibrio con el resto del universo. Los gigantes de la termodinámica del siglo 19 vieron este proceso como una dispersión gradual de energía que aumenta la entropía global, o desorden, del universo. Hoy en día, Lloyd, Popescu y otros en su campo ver la flecha del tiempo de manera diferente. En su opinión, la información se vuelve cada vez más difusa, pero nunca desaparece por completo. Así, afirman, aunque la entropía aumenta a nivel local, la entropía total del universo se mantiene constante en cero.
“El universo en su conjunto se encuentra en estado puro ", dijo Lloyd. "Sin embargo, las piezas individuales de la misma, ya que se enredan con el resto del universo, están en mezclas.”
Un aspecto de la flecha del tiempo sigue sin resolverse. "No hay nada en estas obras que decir por qué comenzó en la puerta", dijo Popescu, en referencia a la analogía del parque. "En otras palabras, no explican por qué el estado inicial del universo estaba lejos del equilibrio." Dijo que esta es una pregunta acerca de la naturaleza del Big Bang.
A pesar de los recientes avances en el cálculo de las escalas de tiempo de equilibrio, el nuevo enfoque todavía tiene que avanzar como una herramienta para analizar las propiedades termodinámicas de las cosas específicas, como el café, vidrio o estados exóticos de la materia. (Varios termodinámicos tradicionales reportaron estar sólo vagamente consciente del nuevo enfoque.) "La cosa es encontrar los criterios para la cual las cosas se comportan como cristal de la ventana, y que las cosas se comportan como una taza de té", dijo Renner. "Me gustaría ver a los nuevos papeles como un paso en esta dirección, pero todavía queda mucho por hacer.”
Algunos investigadores expresaron dudas de que este enfoque abstracto a la termodinámica será nunca hasta la tarea de abordar el "meollo de la cuestión difícil de cómo se comportan los observables específicos", como Lloyd puso. Pero el avance conceptual y nueva formalismo matemático ya está ayudando a los investigadores abordan cuestiones teóricas sobre la termodinámica, tales como los límites fundamentales de los ordenadores cuánticos y hasta el destino final del universo.
“Hemos estado pensando más y más sobre lo que podemos hacer con las máquinas cuánticas ", dijo Paul Skrzypczyk del Instituto de Ciencias Fotónicas de Barcelona. "Teniendo en cuenta que un sistema todavía no está en equilibrio, queremos conseguir trabajo fuera de él. La cantidad de trabajo útil podemos extraer? Cómo puedo intervenir para hacer algo interesante?”
Sean Carroll, cosmólogo teórico en el Instituto de Tecnología de California, está empleando el nuevo formalismo en su más reciente trabajo sobre la flecha del tiempo en la cosmología. "Estoy interesado en el destino de ultra-largo plazo de cosmológica espacio-tiempos", dijo Carroll, autor del libro "de eternidad a continuación:. La búsqueda de la teoría final del tiempo" "Esa es una situación en la que no hacemos realmente conocer todas las leyes pertinentes de la física, así que tiene sentido pensar en un nivel muy abstracto, por lo que me encontré con este tratamiento básico de la mecánica cuántica útil.”
Veintiséis años después de la gran idea de Lloyd sobre la flecha del tiempo cayó plana, que se complace en ser testigo de su ascenso y ha estado aplicando las ideas en un trabajo reciente sobre la paradoja de la información del agujero negro. "Creo que ahora el consenso sería que no es la física en esto", dijo.
Por no hablar un poco de la filosofía.
Según los científicos, nuestra capacidad de recordar el pasado pero no el futuro, otra manifestación histórica de confusión de la flecha del tiempo, también se puede entender como una acumulación de correlaciones entre partículas que interactúan. Cuando se lee un mensaje en un pedazo de papel, su cerebro se correlaciona con él a través de los fotones que llegan a sus ojos. Sólo a partir de ese momento habrá que ser capaz de recordar lo que dice el mensaje. Como Lloyd puso: "El presente puede ser definida por el proceso de convertirse en correlación con nuestro entorno.”
El telón de fondo para el crecimiento constante del entrelazamiento en todo el universo es, por supuesto, el tiempo mismo. Los físicos hacen hincapié en que a pesar de los grandes avances en la comprensión de cómo se producen los cambios en el tiempo, se han hecho progresos en el descubrimiento de la naturaleza misma del tiempo o por qué parece diferente (tanto en la percepción y en las ecuaciones de la mecánica cuántica) de las tres dimensiones del espacio. Popescu llama a esto "una de las grandes incógnitas de la física.”
"Podemos discutir el hecho de que una hora atrás, nuestros cerebros se encontraban en un estado que se correlaciona con un menor número de cosas", dijo. "Sin embargo, nuestra percepción de que el tiempo está fluyendo - que es un asunto completamente diferente. Lo más probable es que necesitaremos otra revolución en la física que nos dirá sobre eso.”
Historia original reimpreso con el permiso de Quanta Magazine, una división editorialmente independiente de SimonsFoundation.org cuya misión es mejorar la comprensión pública de la ciencia, cubriendo la evolución y las tendencias de la investigación en matemáticas y las ciencias físicas y biológicas.