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Grupo de físicos confirma la irreversibilidad termodinámica en sistemas cuánticos

Por primera vez, un grupo de físicos han realizado un experimento que confirmaría que que los procesos termodinámicos son irreversibles en un sistema cuántico, lo que significa que, aún a niveles cuánticos, no puedes poner un huevo roto de vuelta a su cascarón. Los resultados tienen implicaciones para comprender la termodinámica que se produce en los sistemas cuánticos y, a su vez, diseñar computadoras cuánticas y otras tecnologías de información cuántica.

Los físicos, Tiago Batalahao, de la Universidad Federal de ABC en Brasil, y sus coautores, han publicado su artículo sobre la demostración experimental de la irreversibilidad termodinámica cuántica en una reciente edición de la revista Physical Review Letters.

La irreversibilidad en el nivel cuántico puede parecer obvia para la mayoría de las personas porque coincide con nuestras observaciones del mundo cotidiano: macroscópico. Sin embargo, no es tan sencillo para los físicos porque las leyes microscópicas de la física, como la ecuación de Schordinger, son simétricas en el tiempo o irreversibles. En teoría, los procesos microscópicos hacia adelante o hacia atrás son indistinguibles.

En realidad, sin embargo, solo observamos procesos hacia adelante, no reversibles, como cáscaras de huevo rotas que se vuelven a juntar. Está claro que, a nivel macroscópico, las leyes van en contra de lo que observamos. Ahora el nuevo estudio muestra que las leyes no coinciden con lo que sucede a nivel cuántico, tampoco.

Observar procesos termodinámicos en un sistema cuántico es muy difícil y no se había hecho hasta ahora. En el experimento, los científicos midieron el cambio de entropía que ocurre cuando se aplica un campo magnético oscilante a átomos de carbono 13 en cloroformo líquido. Primero aplicaron un pulso de campo magnético que causa que que los giros nucleares de los átomos se volteen y luego aplicaron el pulso en reversa para hacer que los giros experimentaran la dinámica invertida.

Si el procedimiento fuera reversible, los giros habrían regresado a su punto de partida, pero no lo hicieron. Básicamente, los pulsos magnéticos hacia adelante y hacia atrás se aplicaron tan rápidamente que el giro de los giros no siempre se mantuvo, por lo que los giros se salieron de equilibrio. Las mediciones de los giros indicaron que la entropía estaba aumentando en los sistemas aislados, lo que mostraba que el proceso termodinámica cuántico era irreversible.

Al demostrar que la irreversibilidad termodinámica se produce incluso a nivel cuántico, los resultados revelan que la irreversibilidad termodinámica emerge también a una escala microscópica. Este hallazgo hace que la pregunta de por qué las leyes microscópicas de la física no coincidan con nuestras observaciones sea aún más apremiante. Si las leyes son realmente reversibles entonces ¿cuáles son los orígenes físicos de la producción de entropía asimétrica en el tiempo que observamos?

Los físicos explican que la respuesta a esta pregunta radica en la elección de las condiciones iniciales. Las leyes microscópicas permiten procesos reversibles solo porque comienzan con un “proceso de equilibrio genuino para el cual la producción de entropía desaparece en todo momento”, escriben los científicos en el artículo. La preparación del estado inicial ideal en un sistema físico es extremadamente complejo y los estados iniciales de todos los procesos observados no están en equilibrio genuino, por lo que conducen a procesos irreversibles.

“Nuestro experimento muestra la naturaleza irreversible de la dinámica cuántica, pero no identifica, experimentalmente, que lo causa a nivel microscópico, lo que determina el inicio de la flecha del tiempo”, dijo el coautor del estudio, Mauro Pateronostro, de la Queen´s University en Belfast, Reino Unido, en una entrevista para phys.org. “Abordarlo aclararía la razón última de su aparición”.

Los investigadores tienen esperanzas de aplicar la nueva comprensión de la termodinámica a nivel cuántico a las tecnologías cuánticas de alto rendimiento.

Cualquier progreso hacia la gestión de procesos termodinámicos de tiempo finito a nivel cuántico es un paso adelante hacia la realización de una termo máquina completa que pueda explotar las leyes de la mecánica cuántica para superar las limitaciones de rendimiento de los dispositivos clásicos.

Este trabajo muestra las implicaciones para la reversibilidad (o la falta de ella) de la dinámica cuántica no equilibrada. Una vez que la caractericemos podemos aprovecharla a nivel tecnológico.

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Traducido y editado por Julio García

Referencia: https://phys.org/news/2015-12-physicists-thermodynamic-irreversibility-quantum.html

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Nuevas evidencias sugieren que las partículas subatómicas podrían desafiar el Modelo Estándar

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El Modelo Estándar de la física de partículas, el cuál explica la mayoría de las interacciones y comportamientos de las partículas subatómicas, se ha mantenido notablemente bien durante varias décadas. Esta teoría de largo alcance tiene algunas deficiencias, una de ellas es que la fuerza de gravedad no puede integrarse bien  en el modelo estándar. Con la esperanza de revelar partículas y fuerzas que no son estándar, los físicos han estado en la búsqueda de las condiciones y el comportamiento que directamente violan el modelo estándar.

Ahora, un equipo de científicos que trabajan en el acelerador de partículas más grande del mundo, que se encuentra en la frontera entre Francia y Suiza, mejor conocido como CERN, han encontrado nuevas pistas de la existencia de partículas (leptones, para ser más precisos), que están siendo tratados de forma extraña ya que no han sido predichas por el modelo estándar. El descubrimiento, que se encuentra listo para ser publicado el 4 de septiembre de 2015 en la revista Physical Review Letters, podría probar la existencia de partículas que no se rigen bajo los principios de este modelo.

El equipo, que incluye a físicos de la Universidad de Maryland, quienes han hecho contribuciones claves para el estudio, analizaron datos que fueron coleccionados por el Gran Acelerador de Partículas. Los científicos se han encargado de analizar el decaimiento del meson B: proceso que produce partículas de luz, incluyendo a dos tipos de leptones: el leptón tau y el muon. Al contrario que su lepton estable, al que conocemos como electrón, los leptones tau y los muones son altamente inestables y rápidamente decaen en fracciones de segundo.

En este sentido, de acuerdo al concepto del Modelo Estándar llamado “universalidad del leptón”, que asume que los leptones son tratados de igual manera por todas las fuerzas fundamentales, el decaimiento del leptón tau y del muon suceden a la misma velocidad, una vez corregida su diferencia de masas. Sin embargo, el equipo encontró una pequeña pero notable diferencia en las tasas predichas de decaimiento. sugiriendo que las actuales fuerzas o partículas podrían estar interfiriendo en el proceso.

“El modelo estándar afirma que el mundo interactúa con todos los leptones de la misma manera. Hay una democracia ahí. Pero no hay garantía de que esto sea verdad si descubrimos nuevas partículas o nuevas fuerzas”, afirma uno de los investigadores que se han hecho cargo de escribir el artículo. “La universalidad del leptón está realmente consagrada en el Modelo Estándard. Si esta universalidad se rompe, podemos decir que hemos encontrado evidencia de un nuevo modelo no estándar.

El resultado del LCHb se suma al descubrimiento de un decaimiento previo, uno que se hizo a través del experimento BaBar del Centro de Aceleración Lineal de la Universidad de Stanford, que sugiere una desviación similar a las predicciones realizadas por el Modelo Estándar.

“Los experimentos fueron hechos en ambientes totalmente diferentes, pero ambos reflejan el mismo modelo físico. Esta respuesta otorga una importante independencia de las observaciones”, explicó el coautor del estudio Brian Hamilton.

“Mientras que estos resultados tomados juntos son muy prometedores, la observación del fenómeno no podría considerarse una verdadera violación del modelo Estándar mientras no se hagan futuros experimentos para verificar las observaciones”.

“Estamos planeando una gama de otro tipo de medidas. El experimento LHCb está obteniendo más información durante su segunda puesta en funcionamiento ahora mismo. Estamos trabajando en actualizaciones en el detector LHCb para los próximos años. Si este fenómeno es corroborado, tendremos décadas de trabajo por delante. Podría llevarnos a lugares aún desconocidos de la física teórica y hacia nuevas maneras de observar el modelo estándar y el modelo no estándar de la física”, afirma otro de los investigadores.

Con el descubrimiento del bosón de Higgs, (la mayor pieza perdida del Modelo Estándar de la Física), los físicos están buscando ahora fenómenos que no estén relacionados, que se desvíen, de las predicciones del Modelo Estándar. Los investigadores están emocionados con el futuro. Y es que la física teórica se mueve hacia terrenos aún desconocidos.

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Traducido y editado por Julio Moll. 

Referencia: http://phys.org/news/2015-08-evidence-subatomic-particles-defy-standard.html

 

Científicos descubren cómo controlar electrones para desarrollar computadoras cuánticas

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Investigadores de Instituto Niels Bohr, junto con colegas de Estados Unidos y Alemania, han desarrollado un método para controlar un bit cuántico a través de la comunicación cuántica en una serie de puntos, que se comportan como átomos artificiales en estado sólido. Los resultados ya han sido publicados en la revista Physical Review Letters.

En un ordenador convencional, la información está hecha de bits de 0’s y 1’s. En la  computación cuántica, en cambio, estos números pueden convivir simultáneamente, permitiendo un tipo de computación paralela en donde largos números de estados computacionales pueden coexistir al mismo tiempo en una misma máquina.  Esto hace que una computadora cuántica sea exponencialmente más rápida que una convencional. Pero el verdadero problema  con el mundo cuántico radica en que estos estados cuánticos no pueden ser medidos ya que, si son medidos, paradójicamente pierden sus propiedades cuánticas.

“Hemos desarrollado una nueva manera de controlar electrones de tal manera que el estado cuántico puede ser controlado sin ningún tipo de medición”, explica el profesor Charles Marcus, del Instituto Neils Bohr de Copenhague.

Ha explicado que se han podido aplicar estados sólidos clásicos a escala nanométrica con técnicas de resonancia que se aplican en física atómica.

En un material semiconductor existen electrones libres que se mueven entre el material de la estructura.  La información es guardada en el movimiento del electrón que puede subir y bajar. Pero los electrones y su giro deben ser controlados.

“Lo que hicimos fue capturar cada uno de estos electrones en una especie de ‘caja’. Cada caja consiste en punto cuántico, que es un átomo artificial. Los puntos cuánticos están incrustados en el semiconductor y cada punto cuántico puede capturar un electrón. Cuando abrimos y hacemos que cada caja haga contacto con la otra (se utilizaron tres) los electrones pueden ‘percibir’ la presencia del otro. Las tres cajas juntas forman una sola entidad llamada qubit o qubit cuántico”, dice Marcus.

Luego, desde el exterior es enviada

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El profesor Charles Marcus en su laboratorio de la Univesidad de Copenhague. /Crédito: Phys.org

una señal eléctrica y rápidamente se abren las cajas y el sistema comienza a balancearse en una vibración dinámica. Los investigadores pueden utilizar esto para cambiar el estado cuántico de los electrones.

Combinando tres electrones en un punto cuántico triple y aplicando un campo de energía a una frecuencia determinada que separa los niveles adyacentes de energía, los científicos pueden controlar el giro de los electrones sin la necesidad de medirlos,

El próximo paso será crear no solamente una secuencia de tres puntos cuánticos, sino muchísimo más secuencias. Como hemos dicho ya, una secuencia forma 1 qubit, por lo tanto se necesitarán más secuencias para crear más bits para que una hipotética computadora pueda funcionar.

“El potencial de una computadora cuántica es que será capaz de realizar una infinidad de cálculos al mismo tiempo. Por lo tanto será mucho más rápida que una computadora convencional y serán capaz de resolver problemas y otras cuestiones que  actualmente  son imposibles de realizar, debido a que llevarían mucho tiempo”, afirma Marcus,

Hay que decir que, por el momento, las computadoras cuánticas no se utilizarán en nuestra vida cotidiana, ni las podremos comprar en cualquier supermercado. Pero  seguramente en pocos años serán una herramienta útil para hacer investigaciones en laboratorios que las utilizarán para hacer cálculos complejos como los necesarios para predecir el clima o para hacer simulaciones de átomos, moléculas y quizá tal vez hasta de todo el contenido del universo.

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Traducido y editado por Julio García.

Referencia: Phys.org

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El resplandor del Big Bang revela el tiempo de vida de los fotones

bigbangDe la noción de que la luz, que viaja a 300,000 km/s, es el límite cósmico de velocidad, se desprende el supuesto de que las partículas de la luz, llamadas fotones, no tienen masa. Pero observaciones astronómicas no pueden descartar el hecho de que exista una remota posibilidad de que los fotones sí tengan algo de masa.

Por ejemplo, si los fotones no pesan nada, serían completamente estables y durarían para siempre. Pero si tuvieran algo de masa, podrían decaer en partículas menos pesadas. Pero ahora, estudiando luz antigua que fue irradiada poco después del Big Bang, los físicos han podido calcular el tiempo mínimo de vida de los fotones y han mostrado que pueden vivir por billones de billones de años o para siempre.

Ese periodo de vida puede ser una eternidad, pero para un fotón viajando a la velocidad de la luz, ese tiempo pasaría en un abrir y cerrar de ojos. Esto se debe al efecto de dilatación del tiempo que fue predicho por Albert Einstein en la Teoría de la Relatividad, donde millones y millones de años para un terrícola representarían para un fotón tan solo tres años debido a que estas partículas viajan a la velocidad de la luz.

Si los científicos descubrieran algún día que los fotones tienen algo de masa, y por consiguiente un periodo de vida limitado, “la noción de velocidad de la luz obviamente ya no tendría ningún sentido”, afirma Julian Heeck, un estudiante de doctorado del Instituto Max Planck de Alemania. Seguiría habiendo un límite absoluto de velocidad, pero los fotones obviarían esa regla y entonces viajarían a una velocidad menor a la de la luz. La velocidad de los fotones dependería entonces de su longitud de onda y la luz azul viajaría más rápido que la luz roja. Por consiguiente, fotones liberados simultáneamente de estrellas distantes llegarían a la Tierra en diferentes tiempos, dependiendo de su longitud de onda.

Si un un fotón contuviera masa entonces también se necesitarían modificar algunos aspectos del Modelo Estándar de la Física. La ecuación de Maxwell que describe las ondas y campos electromagnéticos (los fotones son las partículas encargadas de transmitir las fuerzas electromagnéticas) y las leyes que describen las interacciones entre partículas cargadas. Debido a este último efecto, observaciones de los campos magnéticos del Sol han demostrado recientemente que los fotones, si es que pesan algo, ese algo debe ser muy ligero. El límite experimental actual sobre la masa de los fotones es de 10 a la -54 kilogramos.

Para encontrar el límite de vida de un fotón, Heeck analizó observaciones de la radiación de fondo de microondas, que es la luz que empapa a todo el universo y que tuvo su origen pocos miles de años después de la Gran Explosión y que ha sido medida desde 1989 por el Satélite COBE, siglas de Cosmic Background Explorer. Esta luz tiene un patrón específico llamado radiación del cuerpo negro, que les indica a los científicos qué tan intensa debe ser la luz (todo esto basado en su longitud de onda). Si un fotón decayera en una partícula menos masiva mientras se mueve a través del universo, de cualquier manera COBE observaría menos energía (luz más roja) que la predicha por la ley de la radiación del cuerpo negro, esto se debe a que la luz roja decaería mucho más rápido que la luz azul que, como ya mencionábamos, tiene más energía. “Los fotones que vienen de muy lejos, desde el comienzo del universo, han tenido suficiente tiempo para decaer cuando llegan a nosotros”, afirma Emanuel Berti de la Universidad de Mississippi.

Pero de acuerdo con las mediciones de COBE, la radiación de fondo de microondas parece comportarse como un perfecto cuerpo negro, esto quiere decir que ningún tipo de luz de baja energía parece perderse, lo que indica que muy pocos fotones, si no es que ninguno, ha decaído desde la Gran Explosión hace 13,700 millones de años. Este análisis le permite a Keeck calcular que la duración mínima de un fotón es de 10 a la 18 potencia o lo que significa billones y billones de años.

Sin embargo, a pesar de que el modelo que afirma que el fotón no tiene masa parece ser correcto, la perspectiva de un modelo con masa plantea intrigantes posibilidades. Por ejemplo, si los fotones decayeran en partículas menos pesadas, ¿qué tipo de partículas serían? Esta es sin duda la cuestión fundamental. Una posibilidad es que estos fotones se conviertan en neutrinos que vienen en diferentes variedades o sabores.

La investigación de Heeck ha sido publicada el pasado 11 de Julio en la revista Physical Review Letters y representa el primer cálculo del tiempo mínimo de vida de un fotón.

Algo que también es interesante de mencionar es lo que pudo haber sucedido después de que la radiación de fondo de microondas se formara. Y es que aquellos primeros fotones probablemente fueron absorbidos por la materia interestelar para luego ser reemitidos cambiando así sus propiedades.

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Traducido y editado por Julio García.

Referencia: Scientific American

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El Gran Colisionador de Hadrones dejará de funcionar hasta 2014

LHC

El Gran Colisionador de Hadrones que se encuentra en el CERN, en Ginebra Suiza, será desconectado por un periodo de dos años.

El acelerador de partículas es mundialmente conocido por haber identificado, en 2012, una partícula que, se cree, es el Bosón de Higgs.

Y es que, después de un fallo técnico que sufrió hace apenas unos años, la máquina no ha podido volver a funcionar con toda la energía que es capaz de producir y para la que fue diseñada.

Será hasta este sábado cuando todos las piezas magnéticas del LHC se pongan a temperatura ambiente, lo que quiere decir que ese día dejará de funcionar oficialmente para dejar de producir temperaturas superiores a los 10,000 grados centígrados, cifra que es mayor a la temperatura que tiene el Sol. Entonces un periodo sin precedentes de actualizaciones y reparaciones tendrá lugar.

En 2012 la máquina logró batir un récord en lo que respecta a la producción de energía al haber alcanzado los 8 billones de electro-voltios. El récord anterior fue en 2011 cuando produjo 7 billones de electro-voltios.

Cuando concluya el `apagón´, que tendrá lugar a finales de noviembre de 2014, los científicos esperan que sea capaz de producir 14 billones de electro-voltios.

Al respecto, Tony Wediberg, quien trabaja para el Detector Atlas del LHC, comentó que “el Colisionador ha estado funcionando con éxito, pero solamente a la mitad de la máxima energía que podríamos alcanzar”.

Y el problema para que no funcione con toda su capacidad se ha debido a las fallas en las  conexiones entre los inmensos magnetos que ayudan a transportar a las partículas cargadas alrededor de los 27 kilómetros que mide la circunferencia del acelerador.

En 2008, justo a los nueve diez de que un haz de partículas circulara por el LHC, un bloqueo en los magnetos provocó la fuga de helio que es esencial para el funcionamiento del sistema por lo que el acelerador tuvo que ser reparado a lo largo de más de un año.

En lo que se realizan las reparaciones de 2014, los científicos se mantendrán ocupados analizando gran candidatos de datos han ido recopilando a lo largo de 2012.

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Traducido y editado por Julio García.

Referencia: BBC.

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