NeoFronteras

Amnesia cuántica y flecha del tiempo

Área: Física — miércoles, 2 de septiembre de 2009

Según una nueva propuesta una suerte de amnesia mecanico-cuántica podría explicar el origen de la flecha del tiempo.

Una de las cuestiones más enigmáticas en Física es el origen de la flecha del tiempo, esa sensación de que los hechos trascurren del pasado al futuro pero nunca al revés. De este modo envejecemos con el paso del tiempo y el café caliente se va enfriando espontáneamente, pero nunca ocurre al revés.
El problema es que la inmensa mayoría de las leyes físicas son reversibles en el tiempo o, dicho técnicamente, invariantes por inversión temporal; es decir, no distinguen entre ir del pasado al futuro o del futuro al pasado.
La única pista que nos dice que nuestra percepción de la realidad es correcta, y que hay una flecha del tiempo verdadera, es la existencia de la entropía, o el grado de desorden de un sistema, que siempre aumenta o permanece constante con el tiempo para un sistema cerrado (segunda ley de la termodinámica). Si, por ejemplo, vemos cómo un huevo roto se reconstruye a un huevo entero tenemos la sensación, justificada, de ver una película proyectada al revés.
Este problema de la flecha del tiempo está lejos de solucionarse. De hecho, ni siquiera conocemos la naturaleza del tiempo y hay fuertes debates en la comunidad científica sobre si el tiempo es una propiedad emergente que surge a partir de otros entes más elementales o si tiene existencia propia real. Porque lo que parece claro es que en todo caso el tiempo siempre es relativo.
Intentos de explicar la naturaleza del tiempo ha habido desde hace mucho tiempo y de vez en cuando aparece uno más. Ahora Lorenzo Maccone, del MIT, propone en Physical Review Letters una nueva explicación mecánico-cuántica a la flecha del tiempo. Según él, en el marco de la Mecánica Cuántica todos los fenómenos que dejan detrás un rastro de información son aquellos donde la entropía aumenta o permanece constante, mientras que aquellos en los que disminuye no dejan tras de sí ninguna clase de información y esta situación es indistinguible de aquella en la que un proceso simplemente no se da. Es decir, la Física no puede estudiar procesos en los que la entropía disminuya. La flecha del tiempo sería el resultado de una amnesia mecánico-cuántica que borra cualquier rastro de inversión temporal.
La Termodinámica es probablemente la parte de la Física más sensata y con más sentido común. Nos dice, entre otras cosas, que un frigorífico desenchufado no funciona. Trata del estudio del comportamiento de sistemas macroscópicos formados por muchas partículas, como pueda ser una gas encerrado en un recinto. Nos dice que la entropía aumenta en un sistema aislado y que sólo podemos hacer que disminuya localmente a costa de energía y de hacer que crezca en otro sitio.
La entropía nos mide el grado de desorden y está asociada con el flujo de calor. De este modo el calor pasa espontáneamente de un objeto caliente a otro más frío, pero nunca al revés (segunda ley de la termodinámica). Por eso un frigorífico necesita estar enchufado para obtener energía y así cumplir con su trabajo, a costa de una entropía generada en la central eléctrica.
En el mundo cuántico un recinto con partículas gana entropía (y pierde información) cuando está más entrelazado con el mundo exterior. Para un observador exterior el recinto puede terminar estando más y más entrelazado con él. Este entrelazamiento, que lleva aparejada una pérdida de información en las partículas, aumenta la información disponible para el observador. En este contexto y según Maccone, el aumento de la entropía, y por tanto la segunda ley de la termodinámica, podría ser una mera ilusión, un artefacto de la Mecánica Cuántica (MC).
Las leyes de la MC son simétricas en el tiempo y por tanto el tiempo puede fluir, en teoría, hacia delante o hacia atrás. Esto viene, en concreto, determinado por la ecuación de evolución de la MC: la ecuación de Schrödinger. Según Maccone si uno analiza esto con cuidado se puede ver que pueden darse todos los procesos en los que las cosas corren al revés en el tiempo, pero no dejan detrás un rastro de que hayan ocurrido.
En los procesos en lo que la entropía disminuye la correlación entre eventos y observadores desaparece. Esta ausencia de información hace que los observadores como nosotros no puedan observar dichos eventos que son equivalentes a una inversión de la flecha del tiempo.
No vemos cómo un huevo roto se recompone porque la información acerca de este evento no se conserva, según él esa información es borrada de nuestra memoria.
Pero extender la naturaleza mecánico-cuántica de las partículas al mundo macroscópico de los huevos rotos es problemático. Según Maccone, para que esta idea funcione a todas las escalas, la MC debe de operar más allá del nivel atómico, y aún no tenemos pruebas de que la Naturaleza se comporte de manera mecánico-cuántica a escalas grandes.
Sin embargo, esta conjetura se puede mantener si se asume como correcta la interpretación de los mundos múltiples de la MC. En este escenario el Universo se escinde en una multitud de universos paralelos cada microsegundo, cada uno con su propia evolución interna pero sin interacción con los demás.
Según Michael Weissman, de University of Illinois y no involucrado en este estudio, la relación entre la segunda ley de la termodinámica y nuestro conocimiento sobre el mundo se ha discutido con anterioridad, pero este trabajo consigue argumentarlo con unos cimientos más firmes. Sin embargo, cree que la explicación es incompleta porque descansa en la presunción de que los humanos tenemos una relación particular con el tiempo (que sólo somos capaces de crear recuerdos sobre el pasado). Y esto no reemplaza, según él, la necesidad de otras presunciones iniciales sobre la manera en la que funciona nuestra mente.
Según Sean Carroll, del Caltech, este trabajo tampoco explica otro misterio: ¿por qué el Universo surgió como una sopa de materia y energía con una entropía muy baja? Como la entropía es de alguna manera la medida de la probabilidad de una configuración particular, la situación de una muy baja entropía inicial es extraordinariamente improbable.

Fuentes y referencias:
New Scientist.
Artículo original (resumen).
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Salvo que se exprese lo contrario esta obra está bajo una licencia Creative Commons.

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8 Comentarios

khinecapa:
jueves 3 septiembre, 2009 @ 2:54 am
Tengo la intuición de que todo se cuece en un horizonte de sucesos, donde se oculta el meollo de las variables ocultas. Lo que vemos instantáneamente no son más que entradas o salidas de información. Sería lo que llamamos entradas agujeros negros y salidas de agujeros blancos, respectivamente. En cada aparición y desaparición de partículas Una pregunta que plantearía ¿ Se puede dar la radiación de Hawking hacia el interior del horizonte de sucesos o sería eliminada por su otro par?
Alguien puede informar de alguna literatura al respecto. Gracias
lluís:
jueves 3 septiembre, 2009 @ 4:04 pm
Sería interesante poder enviar telegramas al pasado y tener recuerdos del futuro. Al fin y al cabo siendo las leyes de la física reversibles en el tiempo debería ser posible. También sería muy interesante que Sean Carroll pudiera responder a esa pregunta que se hace (que nos hacemos todos,creo) sobre el misterio de la baja entropía inicial. Si mal no recuerdo fue el propio Carroll el que en un estudio sobre ese mismo tema de la baja entropía en el Big-Bang, se comprometió a resolver esto en un plazo de diez años.
lluís:
jueves 3 septiembre, 2009 @ 4:44 pm
«En los procesos en los que la entropía disminuye la correlación entre eventos y observadores desaparece. Esta ausencia de información hace que los observadores como nosotros no puedan observar dichos eventos que son equivalentes a una inversión de la flecha del tiempo…» ¿Quiere esto decir que a escala cuántica el café con leche es en realidad café en un lado de la taza y leche en el otro lado, como si no hubiesen sido mezclados, y que si no lo vemos así es porque somos unos observadores con «amnésia mecanocuántica»?.
khinecapa:
viernes 4 septiembre, 2009 @ 3:45 am
Deduciendo el texto, parece que se produce una correlación proporcional, y posible ley, entre la descoherencia al observar y el incremento de entropía ¿Es así?
NeoFronteras:
viernes 4 septiembre, 2009 @ 11:07 am
Si asignamos entropía al grado de desorden de un sistema, la manera típica en la que la podemos considerar es como una propiedad colectiva que aparece si tenemos un grupo de partículas. Esto es para un gas o cualquier otra cosa, a nivel cuántico o clásico. También asignamos la flecha del tiempo de pasado a futuro al sentido en el que la entropía aumenta o permanece constante.
En este caso se considera un grupo de partículas pequeño de tal modo se puedan aplicar las leyes de la Mecánica Cuántica, introduciendo además el exterior (el observador). Según sus cálculos en este sistema se dan tanto los procesos en los que aumenta como en los que disminuye la entropía. Pero los últimos no dejan información detrás que pueda ser registrada por el observador.
El punto débil en esta idea es cómo mantener el efecto a escalas macroscópicas donde la MC parece no operar, pues se exige mantener una correlación mecánico-cuántica que en el mundo clásico no se da.
NeoFronteras:
viernes 4 septiembre, 2009 @ 11:11 am
He encontrado más información por ahí donde se describen las dos situaciones que el autor explica en su artículo en las que disminuye la entropía. Quizás sean de ayuda para los interesados:

In his study, Maccone presents two thought experiments to illustrate this idea, followed by an analytical derivation. He describes two situations where entropy decreases and all records of it are permanently erased. In both scenarios, the entropy in the systems first increases and then decreases, but the decrease is accompanied by an erasure of any memory of its occurrence. The key to entropy decrease in the first place is a correlation between the observer and the phenomenon in question. As Maccone explains, when an interaction occurs between an observer and an observed phenomenon that decreases the entropy of the correlated observer-observed system, the interaction must also reduce their quantum mutual information. When this information is destroyed, the observer’s memory is destroyed along with it.

In the first situation where entropy decreases, Maccone describes a situation where Bob sends Alice some energy in the form of light, initially in a zero-entropy state. Using detectors, Alice receives the light and observes her detectors warming up, revealing that heat has been lost and entropy is increasing in her isolated lab.

However, Bob can theoretically manipulate the situation by withdrawing the energy he has sent Alice, and then erasing all evidence of the energy’s existence – including erasing her memory and the notepads where she wrote the detectors’ temperatures. First, to recover the energy, Bob must return the energy to a zero-entropy state. He does this by erasing all correlations between the energy and Alice, and any other macroscopic systems in the lab. By erasing all initial correlations, Bob can enable the system to lose entropy. Although the act of decorrelating requires energy, Maccone explains that it doesn’t necessarily cause entropy to increase.

“Any physical transformation requires energy (no energy implies no time evolution, i.e. a static system),” he told PhysOrg.com. “This, however, doesn’t automatically imply that entropy is increased. Entropy increases when (part of) the energy employed becomes unusable as waste heat.

“Some energy is employed in the decorrelation transformation. Not only is such energy still available afterwards, but the decorrelation might also decrease the entropy in two systems, and that can ‘free’ some more energy that was previously unavailable (as it was locked up as heat).”

The second situation where entropy decreases involves a quantum measurement instead of a classical one. Here, Bob sends Alice a particle in a specific spin state. Alice performs a quantum measurement that consists of coupling the particle with a macroscopic reservoir, which increases the entropy of the system. But once again, Bob can theoretically manipulate the situation, this time by inverting the transformation of Alice’s measurement. This action decorrelates all records of Alice’s measurement results from the spin state. Although Alice remembers performing the experiment, she has no memory or evidence of what the measurement result was, and the spin is back to its initial zero-entropy state.

Although theoretically possible, these situations in which entropy decreases would be very difficult to demonstrate experimentally, due to the difficulty in manipulating macroscopic correlations. That is why, for all practical purposes, these phenomena are unobservable by physics. Still, as Maccone explains, the theory is a straightforward application of quantum mechanics when applied to macroscopic systems, and could potentially be verified.

“I think that if quantum coherence can be indubitably proven on a macroscopic observer (not necessarily a human being), then my approach would be verified,” he said. “An experiment of the sort of the second thought experiment, for example. The state of the art of experiments is quite far from anything of that sort. The biggest system where quantum coherence has been experimentally shown is, I think, some biological molecule composed of a few hundred atoms by A. Zeilinger’s group in Vienna.”

The explanation may also provide insight into understanding entropy in the universe. The approach supports the idea that the universe may be in a state of zero entropy, even though it appears to us observers to have higher entropy. As Maccone explains, the universe is in a zero-entropy pure state because it cannot be entangled with any other system.

“My theory requires that the global state of the observer plus the environment be in a quantum pure state,” he said. “This means that it works only if we consider a sufficiently large system that it cannot be correlated with any other system. However, correlations (entanglement, in quantum systems) are very sticky; namely, systems get correlated very quickly also if they are very weakly interacting. This is why, when one considers macroscopic systems, the only safe choice is to consider the whole universe, which cannot be correlated with any other system, since, by definition, it comprises all physical systems.”
khinecapa:
viernes 4 septiembre, 2009 @ 5:37 pm
Gracias. Magnifico artículo
Joabbl:
sábado 5 septiembre, 2009 @ 11:08 am
Si he entendido algo, esto podría significar que el universo inicialmente no partió de un estado misterioso de baja entropía porque sí, sino que solo tenemos conocimiento de las partes del universo cuyo origen es un estado de baja entropía. Podría haber otros universos u otras partes de este que funcionaran al revés y de las que nosotros nunca tendríamos noticia… Principio antrópico: el universo es como es porque las partes que no son así no son compatibles con nuestra existencia o no nos son accesibles…
Vaya lío.

Saludos