Nueva Teoría cuántica podría explicar el flujo del tiempo POR NATALIE WOLCHOVER, QUANTA REVISTA

  

Tazas de café fresco, edificios se desmoronan y las estrellas esfumarse, dicen los físicos, debido a un efecto cuántico extraño llamado "entrelazamiento". Foto: Stacy / Flickr

Café se enfría, los edificios se derrumban, los huevos se rompen y las estrellas esfumarse en un universo que parece destinado 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 prueba de una irreversible "flecha del tiempo".

Sin embargo, para el desconcierto de las generaciones de físicos, la flecha del tiempo no parece derivarse de las leyes fundamentales de la física, que trabajan 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 dispersión: café tibio espontáneamente calentarse, los edificios se levantarían de sus escombros y la luz del sol que escabullirse de nuevo en el sol.

Historia original reimpreso con el permiso de Simons Science News , una división editorialmente independiente del SimonsFoundation.org cuya misión es mejorar la comprensión pública de la ciencia, cubriendo los desarrollos de investigación y las tendencias en las matemáticas y las ciencias físicas y biológicas.

"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, unir todas las moléculas del huevo que se rompió? ¿Por qué soy importante? "

Sin duda, dijo, la flecha del tiempo no está orientada por la ignorancia humana. Y, sin embargo, desde el nacimiento de la termodinámica en la década de 1850, el enfoque conocido para el cálculo de la propagación de la energía fue formular distribuciones estadísticas de las trayectorias de las partículas desconocidas, y demostrar que, con el tiempo, la ignorancia unta cosas.

Ahora, los físicos están desenmascarar una fuente más fundamental de la flecha del tiempo: la energía se dispersa y objetos equilibre, dicen, por la forma en 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 a Tony Short , un físico cuántico en Bristol. "El enredo se acumula entre el estado de la taza de café y el estado de la habitación."

Popescu, corto y sus colegas Noé Linden y Andreas Inviernoreportaron el descubrimiento en la revista Physical Review E, en 2009, con el argumento de que los objetos alcancen el equilibrio, o el estado de la distribución uniforme de energía, dentro de una cantidad infinita de tiempo al convertirse en mecánica cuántica enredado con su entorno. Resultados similares por Peter Reimann , de la Universidad de Bielefeld en Alemania aparecieron varios meses antes en la revista Physical Review Letters. Corto y colaborador fortalecido el argumento en 2012, mostrando que el entrelazamiento hace que el equilibrio dentro de un tiempo finito. Y, en un trabajo que fue publicado en el sitio preimpresión científica arXiv.org en febrero, dos grupos separados han tomado 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.

Un documento de cuencas por Noah Linden, izquierda, Sandu Popescu Tony corto y Andreas Winter (no en la foto) en 2009 mostró que el entrelazamiento hace que los objetos que evolucionan hacia el equilibrio. La generalidad de la prueba es "extraordinariamente sorprendente", dice Popescu. "El hecho de que un sistema alcanza el equilibrio es universal." El documento provocó una mayor investigación sobre el papel de enredo en la dirección de la flecha del tiempo. Foto: Cortesía de Tony Corto

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 ha derivado de una base firme al considerar una teoría microscópica."

Si la nueva línea de investigación es correcta, entonces la historia de la flecha del tiempo comienza con la idea de la mecánica cuántica que, en el fondo, la naturaleza es inherentemente incierto. Una partícula elemental carece de propiedades físicas definidas y se define sólo por las probabilidades de estar en varios estados. Por ejemplo, en un momento determinado, una partícula puede tener una probabilidad del 50 por ciento de girar en sentido horario y una probabilidad del 50 por ciento de girar hacia la izquierda. Un teorema probado experimentalmente por el físico norirlandés John Bell dice que no hay "verdadero" estado de la partícula ; las probabilidades son la única realidad que puede ser atribuido a la misma.

La incertidumbre cuántica a continuación, da lugar a enredo, la fuente putativo de la flecha del tiempo.

Cuando dos partículas interactúan, ya no pueden siquiera ser descrito por su cuenta, que evoluciona de forma independiente probabilidades, llamados "estados puros." En su lugar, se convierten en componentes entrelazados de una distribución de probabilidad más complicado que describe tanto las partículas entre sí. Se podría dictar, por ejemplo, que las partículas giren en direcciones opuestas. El sistema en su conjunto está en un estado puro, pero el estado de cada partícula individual es "mixta" con la de su conocido. Los dos podían viajar a años luz de distancia, y el giro de cada uno de ellos siendo correlacionado con el de la otra, una característica Albert Einstein famosamente describió 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 primero ocurrió a Seth Lloydhace unos 30 años, cuando él era un estudiante graduado de filosofía 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 se vuelven cada vez más enredado, podrían reemplazar la incertidumbre humana en las antiguas pruebas clásicas como la verdadera fuente de la flecha del tiempo.

Seth Lloyd, ahora un profesor del MIT, se le ocurrió la idea de que el entrelazamiento podría explicar la flecha del tiempo, mientras estaba en la escuela de posgrado en la Universidad de Cambridge en la década de 1980. Foto: Cortesía de Seth Lloyd

Utilizando un enfoque alternativo a la mecánica cuántica que trataron unidades de información como los bloques de construcción básicos, Lloyd pasó varios años estudiando la evolución de las partículas en términos de 1s y 0s arrastrando los pies. Él encontró que a medida que las partículas se volvieron cada vez más enredados unos con otros, la información que originalmente los describe (un "1" para el giro a la derecha y un "0" para la izquierda, por ejemplo) podrían pasar a 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. Finalmente, las correlaciones contenían toda la información, y las partículas individuales contenían ninguna.En ese punto, Lloyd descubrió, partículas llegaron a un estado de equilibrio, y sus estados dejado de cambiar, como el café que se ha enfriado a temperatura ambiente.

"Lo que está pasando en realidad es cosas son cada vez más correlacionados entre sí", recuerda Lloyd darse cuenta."La flecha del tiempo es una flecha de aumento de las correlaciones."

La idea, presentada en su tesis doctoral 1988 , cayó en oídos sordos. Cuando presentó a una revista, se le dijo que no había "ninguna de física en este papel." Teoría de la información cuántica "era profundamente impopular" en ese momento, dijo Lloyd, y preguntas sobre la flecha del tiempo "fuera por chiflados y premios Nobel que han vuelto blando en la cabeza ". recuerda un físico que le decía.

"Yo estaba maldito cerca de la conducción de un taxi", dijo Lloyd.

Los avances en la computación cuántica, ya se han convertido la teoría de la información cuántica en una de las ramas más activas de la física. Lloyd es actualmente 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 de Bristol. Las pruebas más recientes son más generales, los investigadores dicen, y son válidas 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 ".

Como una taza de café caliente se equilibra con el aire circundante, partículas de café (blanco) y las partículas de aire (marrón) interactúan y se convierten en mezclas enredados de estados marrones y blancos. Después de algún tiempo, la mayor parte de las partículas en el café se correlacionan con las partículas del aire; el café ha alcanzado el equilibrio térmico. Imagen: Lidia del Río

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 - la información sobre sus propiedades "fugas y se convierte en untaron sobre todo el medio ambiente", explicó Popescu. Esta pérdida de información local hace que el estado de la cafetera se estanque aún cuando el estado puro de toda la sala sigue evolucionando. A excepción de raros fluctuaciones aleatorias, dijo, "sus paradas estado cambiando 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 pronto convertirse sin mezcla del aire y entrar en un estado puro de sí mismo. Pero hay tantos más estados mixtos que los estados puros disponibles para el café que esto casi nunca sucede - uno tendría que sobrevivir al universo para presenciarlo.Esta improbabilidad estadística da tiempo de flecha de la aparición de la irreversibilidad."Esencialmente enredo se abre un espacio muy grande para ti", dijo Popescu. "Es como si estuvieras en el parque y que inicie 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 la 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 localmente, la entropía total del universo se mantiene constante en cero.

"El universo en su conjunto está en un estado puro", dijo Lloyd. "Pero las piezas individuales de la misma, ya que se enredan con el resto del universo, se encuentran en las 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, refiriéndose a la analogía del parque. "En otras palabras, ellos no explican por qué el estado inicial del universo estaba lejos del equilibrio." Él 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 equilibrado, el nuevo enfoque aún tiene que avanzar como una herramienta para analizar las propiedades termodinámicas de cosas específicas, como el café, vidrio o estados exóticos de la materia. (Varios termodinámicos tradicionales reportaron estar sólo vagamente consciente de que el nuevo enfoque.) "La cosa es encontrar los criterios para que 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 aún queda mucho por hacer."

Algunos investigadores expresaron sus dudas de que este enfoque abstracto a la termodinámica será nunca a la altura de abordar el "meollo de la cuestión difícil de cómo se comportan los observables específicos", como Lloyd puso. Pero el avance conceptual y nuevo formalismo matemático ya está ayudando a los investigadores abordan cuestiones teóricas sobre la termodinámica, 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", dijoPaul Skrzypczyk del Instituto de Ciencias Fotónicas de Barcelona. "Teniendo en cuenta que un sistema aún no está en equilibrio, queremos conseguir trabajo fuera de él. ¿Cuánto 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 último trabajo sobre la flecha del tiempo en la cosmología. "Estoy interesado en el destino de muy largo plazo de los espacio-tiempos cosmológicos", dijo Carroll, autor de "Desde la eternidad a continuación:. La búsqueda de la teoría final del tiempo" "Esa es una situación en la que no lo hacemos realmente saben todas las leyes pertinentes de la física, por lo que tiene sentido pensar en un nivel muy abstracto, por lo que me encontré 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 que ha sido la aplicación de las ideas en los trabajos recientes sobre el agujero negro paradoja de la información . "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 puede ser entendida 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 tus ojos. Sólo a partir de ese momento va a ser capaz de recordar lo que dice el mensaje. Como Lloyd puso: "El presente puede ser definido por el proceso de convertirse en correlación con lo que nos rodea."

El telón de fondo para el crecimiento constante de enredo en todo el universo es, por supuesto, el propio tiempo. Los físicos insisten 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 del tiempo mismo, o por qué parece diferente (tanto perceptualmente y en las ecuaciones de la mecánica cuántica) que las tres dimensiones del espacio. Popescu llama a esto "una de las grandes incógnitas de la física."

"Podemos discutir el hecho de que hace una hora, nuestros cerebros se encontraban en un estado que se correlaciona con un menor número de cosas", dijo. "Pero nuestra percepción de que el tiempo fluye - que es una cuestión totalmente diferente. Lo más probable, vamos a necesitar otra revolución en la física que nos dirá acerca de eso ".

Historia original reimpreso con el permiso de la revista Quanta , una división editorialmente independiente del SimonsFoundation.org cuya misión es mejorar la comprensión pública de la ciencia, cubriendo los desarrollos de investigación y las tendencias en las matemáticas y las ciencias físicas y biológicas.