En la mecánica cuántica el tiempo no fluye como cabría esperar

Un equipo de físicos de las universidades de Viena, Bristol, el IFISC (UIB-CSIC) y el Instituto de Óptica Cuántica e Información Cuántica (IQOQI-Viena) ha demostrado cómo los sistemas cuánticos pueden evolucionar simultáneamente a lo largo de dos flechas temporales opuestas (hacia delante y hacia atrás en el tiempo). El estudio se ha publicado en el último número de Communications Physics.

Flujos de tiempo hacia delante y hacia atrás

Al observar el movimiento celeste, a menudo se percibe una sensación de eternidad que podría llevarnos a preguntarnos si el tiempo existe realmente después de todo. En cambio, al mirar hacia atrás en nuestra vida cotidiana se extinguen todas las dudas: el tiempo existe y avanza. Esta aparente certeza proviene del hecho de que la mayoría de los fenómenos físicos macroscópicos sólo pueden ocurrir en una dirección. Por ejemplo, la secuencia de cosas que hacemos en nuestra rutina matutina. Si alguien nos mostrara nuestra pasta de dientes moviéndose desde el cepillo de dientes de vuelta a su tubo, sabríamos sin duda que nos están mostrando el rebobinado de la grabación de nuestro día. En física, esta propensión de ciertos fenómenos a producirse en una sola dirección temporal está vinculada a su producción de "entropía", que es la cantidad física que define la cantidad de desorden en un sistema. En la naturaleza, los procesos tienden a evolucionar espontáneamente de estados con menos desorden a estados con más desorden, y esta propensión puede utilizarse para identificar una flecha del tiempo. Así, si un fenómeno produce una gran cantidad de entropía, observar su inversión temporal es tan improbable que resulta esencialmente imposible. Sin embargo, cuando la entropía producida es lo suficientemente pequeña, existe una probabilidad no despreciable de ver la inversión temporal de un fenómeno de forma natural. Volviendo al ejemplo de la pasta de dientes, si apretáramos el tubo con suavidad y sólo saliera una parte muy pequeña de la pasta de dientes, no sería tan improbable observar cómo vuelve a entrar en el tubo, aspirada por la descompresión del mismo. En cambio, si se aprieta el tubo con más fuerza, la pasta de dientes se esparcirá de forma irreversible, requiriendo un esfuerzo mucho mayor si se quisiera volver a meter toda.

La frontera entre el avance y el retroceso se difumina en la mecánica cuántica

Un equipo de físicos de las Universidades de Viena, Bristol, IFISC (UIB-CSIC) e IQOQI-Viena, bajo la dirección de Časlav Brukner, ha aplicado esta idea al ámbito cuántico, buscando profundizar en el conocimiento de cómo fluye el tiempo en ese régimen. Una de las peculiaridades del mundo cuántico es el principio de superposición cuántica, según el cual si dos estados de un sistema cuántico son posibles, entonces ese sistema también puede estar en ambos estados al mismo tiempo. Si consideramos que el sistema evoluciona en una u otra dirección temporal (la pasta de dientes que sale o vuelve a entrar en el tubo), resulta que los sistemas cuánticos también pueden encontrarse evolucionando simultáneamente en ambas direcciones temporales. Aunque esta idea parece bastante disparatada cuando se aplica a nuestra experiencia cotidiana, en su nivel más fundamental, las leyes del universo se basan en principios de la mecánica cuántica. Esto nos lleva a preguntarnos por qué nunca encontramos estas superposiciones de flujos temporales en la naturaleza. "En nuestro trabajo, cuantificamos la entropía producida por un sistema que evoluciona en superposición cuántica de procesos con flechas temporales opuestas. Descubrimos que la mayoría de las veces el sistema se proyecta en una dirección temporal bien definida, correspondiente al proceso más probable de los dos", explica Gonzalo Manzano, coautor del estudio. Sin embargo, cuando se trata de pequeñas cantidades de entropía (por ejemplo, cuando se derrama tan poca pasta de dientes que se puede ver cómo se reabsorbe en el tubo), entonces se pueden observar físicamente las consecuencias de que el sistema haya evolucionado en las direcciones temporales hacia delante y hacia atrás al mismo tiempo. Como señala Giulia Rubino, autora principal de la publicación, "aunque el tiempo suele tratarse como un parámetro que aumenta continuamente, nuestro estudio muestra que las leyes que rigen su flujo en contextos de mecánica cuántica son mucho más complejas. Esto puede sugerir que debemos repensar la forma en que representamos esta cantidad en todos aquellos contextos en los que las leyes cuánticas desempeñan un papel crucial."

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

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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