Puede que hace poco hayas visto el siguiente titular: físicos rusos consiguen que una partícula viaje hacia atrás en el tiempo gracias a un ordenador cuántico (nota de prensa en Phys.org). Como decía un amigo con el comenté la noticia, el titular lo tiene absolutamente todo: físicos rusos, viajes en el tiempo y ordenadores cuánticos. ¿Quién no querría publicar un pastel así?
Hoy os traigo mi opinión sobre este estudio (que podéis leer gratuitamente en Scientific Reports). No soy un experto en este área de investigación, espero no cometer errores de bulto. Cualquier comentario o desliz me lo podéis comentar por Twitter para que corrija esta entrada.
Las fluctuaciones en la Segunda Ley de la Termodinámica.
La Termodinámica es una de las ramas principales de la física. Aunque la cuántica o la relatividad suelen acaparar toda la popularidad de los aficionados, la Termodinámica ha resultado ser uno de los pilares más sólidos de la ciencia. Sus principios empíricos han sido capaces de permanecer prácticamente irrefutables desde el siglo XIX, salvo algunas matizaciones que veremos enseguida.
Vamos a enunciar las leyes de la Termodinámica en una forma sencilla para trabajar con ellas:
- La energía se conserva. No puedes obtener ni eliminar energía del Universo.
- La entropía siempre aumenta. Entre otras cosas, implica que el flujo de calor va de los cuerpos calientos a los fríos.
- Es imposible alcanzar una temperatura igual al cero absoluto.
¡Sencillo! La primera ley nos dice, básicamente, que no podemos obtener energía de la nada, hay que sacarla de algún sitio. La tercera es bastante clara. Pero la segunda tiene mucha miga. Para verlo, hay que entender correctamente qué es la entropía. En el instituto, y en muchos cursos de la universidad, se insiste en que la entropía está relacionada con el nivel de desorden del sistema. Un gas, que tiene las moléculas desordenadas, tendría más entropía que un sólido, que las tiene ordenadas.
Sin embargo, esta es la interpretación estadística, y no termdinámica, de la entropía. Cuando trabajamos únicamente en termo, la entropía indica la cantidad de energía que no puede usarse para producir trabajo. Por esto los móviles perpetuos son imposibles: aunque la energía se convserva, la entropía siempre aumenta, de modo que se va reduciendo la energía útil para nuestra máquina térmica.
Pero todo esto es cuando hablamos de Termodinámica. ¿Y si hablamos de física estadística? Es decir, si en lugar de ponernos a medir temperaturas, presiones o calor, empezamos a hablar de las propiedades de las partículas del gas. Este cambio de visión permite asociar la temperatura con la velocidad media de las partículas del gas, la presión con la cantidad de colisiones entre las partículas y la pared del recipiente, y la entropía con el desorden.
El tema es que la física estadística se denomina así, precisamente, por su naturaleza inheremente probabilistica. Todos los valores termodinámicos son valores promedio de lo que le ocurre a un número absurdamente elevado de partículas del gas. Pero eso implica que si el sistema es más pequeño, podremos empezar a ver cómo los leyes termodinámicas tienen fluctuaciones estadísticas, no debido a nuestros aparatos de medida, sino porque el sistema inherentemente fluctúa.
De esa forma, es posible violar la segunda ley de la termodinámica: puedes ver que un trocito del sistema ha reducido su entropía; bien porque era solo un trozo pequeño del sistema (y cuando tienes en cuenta completo, la fluctuación desaparece) o bien porque la violación se produce por un tiempo pequeño y luego desaparece. Esto se ha hecho en sistemas cuánticos, y también con plegamiento de proteínas.
Un divulgador, cuyo nombre no puedo recordar ahora, lo describió así: la Termodinámica es como un casino. Algún jugador puede salir ganando y llevarse algo de dinero a casa, pero en general, la casa siempre gana. En nuestro caso, la casa es la segunda ley de la termodinámica.
Termo y tiempo
Puede que os preguntéis por qué todo este rollo sobre termodinámica en un artículo sobre viajes temporales. En principio, no tienen nada que ver. El tocino con la velocidad.
Sin embargo, resulta que la segunda ley de la termodinámica es (hasta donde yo sé) la única pista que tenemos sobre qué es el tiempo. Si alguna vez queréis ver sudar a un físico, preguntad qué es exactamente el tiempo. La definición que habitualmente usamos en física es que el tiempo es lo que miden los relojes. Gracias, capitán obvio, podéis responder. No es gran cosa, pero es de lo mejor que tenemos. Todas las ecuaciones mecánicas (por ejemplo, las leyes de Newton) funcionan tanto si hace el tiempo avanzar hacia delante como hacia atrás. ¡Para la mayor parte de las ecuaciones en física, no hay diferencia entre ir hacia adelante o hacia atrás en el tiempo!
Una excepción llamativa es la segunda ley de la termodinámica. Esta me dice que si tengo el universo en dos instantes de tiempo, y mido su entropía, el más antiguo tiene la entropía más baja. Con lo cual, si yo te doy fotogramas del universo con su correspondiente entropía, tú los puedes ordenar de más antiguo a más nuevo, ordenando la entropía de menor a mayor. ¿Soluciona esto qué es exactamente el tiempo? Yo diría que no, pero es lo mejor que hay… la única pista que tenemos.
¿Y esto qué tiene que ver con los viajes temporales?
Ya llegamos, ya llegamos, queda poco. Hasta ahora, hemos hablado de las leyes de la termodinámica y de cómo es posible violar (mediante fluctuaciones) la segunda ley. Antes de dar el salto a los viajes en el tiempo, nos queda un solo un detalle: el estudio de cómo son estas fluctuaciones.
Hay un área completa de la física dedicada al estudio de estas fluctuaciones, que pueden jugar un papel importante en sistemas reales. El problema que tienen, como su propio nombre indica, es que se trata de fluctuaciones, es decir, no ocurren muy a menudo. Si el sistema que estudiamos es lo suficientemente grande, de hecho, probablemente no ocurran jamás en nuestra vida. ¡Son extremedamente raras!
Lo que hacen los investigadores, habitualmente, es estudiar cómo es la fluctuación, de forma teórica, y cómo tendríamos que actuar sobre el sistema para que los fenómenos raros pasen a ser lo habitual. Esto se puede conseguir, incluso experimentalmente, a costa de forzar el sistema. Por supuesto, cuando se realiza, no es exactamente una violación de la segunda ley de la termodinámica; para que lo fuese, nuestro sistema debería ser aislado, pero en este caso tenemos una influencia externa.
Y por fin llegamos a lo bueno. Los autores del artículo lo que hacen, en el fondo, es exactamente esto. La idea es la siguiente: la ecuación de Schödinger dicta cómo evolucina un sistema en física cuántica. En general, una partícula que está más o menos localizada en el espacio tiende a estar cada vez menos localizada. Esta es la evolución natural. No hay forma de ver cómo la función de ondas se va estrechando de manera natural. En el artículo técnico, lo primero que hacen es calcular de manera teórica cuál es la probabilidad de que la función de ondas se estreche. Al igual que la mayor parte de las ocasiones en física estadística, lo que se ve es que la probabilidad de las fluctuaciones se va reduciendo conforme nuestro sistema se hace más y más grande. En concreto, la probabilidad depende de este tamaño como $2^{-N}$. Esto implica que aumentar un poco el tamaño disminuye muchísimo su probabilidad: por tanto, la conclusión es que un sistema de partículas no puede localizar su paquete de ondas de manera espontánea. Al final, esta demostración es análoga a la que nos lleva a admitir que el calor va de los cuerpos calientes a los fríos, y no al contrario.
Lo que se hace en el artículo es buscar una dispositivo que sea capaz de actuar sobre la función de onda, de modo que la fluctuación que aparece con una probabilidad pequeñísima, se convierta en la evolución natural del sistema. ¿El sistema está viajando hacia atrás en el tiempo? Formalmente, no: lo que tenemos es un sistema que evoluciona forzado por una maquinaria externa, que permite ver cómo son esas fluctuaciones extrañas, que de otra forma no veríamos. Consiguen hacer algo análogo a lo que se ha hecho en otras ramas de la física, que es buscar cómo son las fluctuaciones del sistema y forzarlo para que su evolución natural sea la que queremos ver. Pero el sistema no está, realmente, viajando hacia el pasado.
Sí es cierto que lo que podemos ver en esta clase de experimentos es cómo evolucionaría el sistema si el tiempo avanzara hacia atrás, lo que permite estudiar en detalle cómo funciona la reversibilidad temporal desde el punto de vista de la termodinámica. Pero no es una máquina del tiempo en el sentido de la palabra. Me explico. Las reglas del aparato construido son las siguientes:
- Lo que “viaja en el tiempo” es solo lo que hay en el interior del aparato.
- El “viaje” no es instantáneo: tienes que permanecer dentro del aparato el mismo tiempo que quieres viajar.
- Cuando sales de la máquina, no apareces en el pasado, sino en el presente.
Es decir, si metes algo 2019 y lo programas para “viajar” a 2018, podrás sacarlo de la máquina en 2020… tal y como estaba en 2018. Con lo cual, no vas hacia el pasado, no reviertes el tiempo: solamente tienes una máquina que hace que lo que hay dentro evolucione de una forma muy particular.
Nota: hay que tener en cuenta, además, la dificultad para realizar este proceso en sistemas que sean relativamente grandes. Todos estos experimentos de violaciones de la segunda ley se realizan en sistemas muy pequeños o en sistemas cuánticos, y en escalas de tiempo muy pequeñas. Una máquina capaz de llevar a cabo este procedimiento en un objeto macroscópico por un tiempo apreciable es pasto de ciencia-ficción.
Conclusiones
La conclusión principal es que el experimento es muy interesante, que permite ahondar en la ideas que tenemos sobre el tiempo y su relación con la segunda ley de la termodinámica, pero hablando correctamente no tiene nada que ver con “viajes en el tiempo”. Es un sistema forzado a evolucionar de una manera poco habitual en la naturaleza mediante un motor. ¿Cómo es posible que tantos medios de comunicación hayan vendido la noticia de una forma tan confusa?
En mi opinión, el problema es la nota de prensa emitida por los autores del artículo. Una búsqueda rápida muestra que hay todo un campo de investigación (tanto teórica como experimental) en reversibilidad temporal en física cuántica. En estos artículos, la jerga técnica puede dar a entender fácilmente que lo que se hacen son “viajes en el tiempo”: frases como experimentally demonstrate backward time dynamics, junto con la discusión de la “flecha del tiempo” pueden dar lugar a confusiones. El vocabulario usado en la nota de prensa original (junto con su título) adolece del mismo problema. Los medios de comunicación generalistas han tomado estas notas de prensa y deformado su significado.
Espero que haya aclarado un poco el sentido de este experimento, que, insisto, no tiene nada de exótico o especial: los estudios de fluctuaciones vía sistemas forzados se llevan haciendo muchos años física estadística, tampoco es el primero en hacerlo con reversibilidad temporal, y no tiene nada que ver con viajes en el tiempo tal y como los entendemos. ¡Aún así, sigue siendo una idea interesante para una novela de ciencia ficción!
