En la mecànica quàntica el temps no flueix com caldria esperar

24 de novembre de 2021

Un equip de físics de les universitats de Viena, Bristol, l‘IFISC (UIB-CSIC) i l'Institut d'Òptica Quàntica i Informació Quàntica (IQOQI-Viena) ha demostrat com els sistemes quàntics poden evolucionar simultàniament al llarg de dues fletxes temporals oposades (cap endavant i cap endarrere en el temps). L'estudi s'ha publicat en el darrer número de Communications Physics.


Fluxos de temps cap endavant i cap endarrere


En observar el moviment celeste, sovint es percep una sensació d'eternitat que podria portar-nos a preguntar-nos si el temps existeix realment després de tot. En canvi, en mirar cap endarrere en la nostra vida quotidiana s'extingeixen tots els dubtes: el temps existeix i avança. Aquesta aparent certesa prové del fet que la majoria dels fenòmens físics macroscòpics només poden ocórrer en una direcció. Per exemple, la seqüència de coses que fem en la nostra rutina matutina. Si algú ens mostrés la nostra pasta de dents movent-se des del raspall de dents de tornada al seu tub, sabríem sens dubte que ens estan mostrant el rebobinatge de l'enregistrament del nostre dia. En física, aquesta propensió d'uns certs fenòmens a produir-se en una sola direcció temporal està vinculada a la seva producció de "entropia", que és la quantitat física que defineix la quantitat de desordre en un sistema. En la naturalesa, els processos tendeixen a evolucionar espontàniament d'estats amb menys desordre a estats amb més desordre, i aquesta propensió pot utilitzar-se per a identificar una fletxa del temps. Així, si un fenomen produeix una gran quantitat d'entropia, observar la seva inversió temporal és tan improbable que resulta essencialment impossible. No obstant això, quan l'entropia produïda és prou petita, existeix una probabilitat no menyspreable de veure la inversió temporal d'un fenomen de manera natural. Tornant a l'exemple de la pasta de dents, si estrenyéssim el tub amb suavitat i només sortís una part molt petita de la pasta de dents, no seria tan improbable observar com torna a entrar en el tub, aspirada per la descompressió d'aquest. En canvi, si s'estreny el tub amb més força, la pasta de dents s'escamparà de manera irreversible, requerint un esforç molt major si es volgués tornar a ficar tota.


La frontera entre l'avanç i la reculada es difumina en la mecànica quàntica


Un equip de físics de les Universitats de Viena, Bristol, IFISC (UIB-CSIC) i IQOQI-Viena, sota la direcció de Časlav Brukner, ha aplicat aquesta idea a l'àmbit quàntic, buscant aprofundir en el coneixement de com flueix el temps en aquest règim. Una de les peculiaritats del món quàntic és el principi de superposició quàntica, segons el qual si dos estats d'un sistema quàntic són possibles, llavors aquest sistema també pot estar en tots dos estats al mateix temps. Si considerem que el sistema evoluciona en l'una o l'altra direcció temporal (la pasta de dents que surt o torna a entrar en el tub), resulta que els sistemes quàntics també poden trobar-se evolucionant simultàniament en totes dues direccions temporals. Encara que aquesta idea sembla bastant absurda quan s'aplica a la nostra experiència quotidiana, en el seu nivell més fonamental, les lleis de l'univers es basen en principis de la mecànica quàntica. Això ens porta a preguntar-nos per què mai trobem aquestes superposicions de fluxos temporals en la naturalesa. "En el nostre treball, quantifiquem l'entropia produïda per un sistema que evoluciona en superposició quàntica de processos amb fletxes temporals oposades. Descobrim que la majoria de les vegades el sistema es projecta en una direcció temporal ben definida, corresponent al procés més probable dels dos", explica Gonzalo Manzano, coautor de l'estudi. No obstant això, quan es tracta de petites quantitats d'entropia (per exemple, quan es vessa tan poca pasta de dents que es pot veure com es reabsorbeix en el tub), llavors es poden observar físicament les conseqüències que el sistema hagi evolucionat en les direccions temporals cap endavant i cap endarrere al mateix temps. Com assenyala Giulia Rubino, autora principal de la publicació, "encara que el temps sol tractar-se com un paràmetre que augmenta contínuament, el nostre estudi mostra que les lleis que regeixen el seu flux en contextos de mecànica quàntica són molt més complexes. Això pot suggerir que hem de repensar la forma en què representem aquesta quantitat en tots aquells contextos en els quals les lleis quàntiques exerceixen un paper crucial."


“Quantum superposition of thermodynamic evolutions with opposing time’s arrows” in Communications Physics. DOI: 10.1038/s42005-021-00759-1



Artistic illustration of a gondolier trapped in a quantum superposition of time flows. Credit: © Aloop Visual & Science, University of Vienna, Institute for Quantum Optics and Quantum Information of the Austrian Academy of Sciences


 time-evolution


Aquesta web utilitza cookies per a la recollida de dades amb un propòsit estadístic. Si continues navegant, vol dir que acceptes la instal·lació de la cookie.


Més informació D'accord