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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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Cuando el caos y la entropía reinen en el universo

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por Julio García.

Seguramente usted se haya preguntado por qué las cosas no suceden al revés o por qué, por ejemplo, los objetos que se calientan tienden a enfriarse después de un cierto tiempo de mantener sus moléculas excitadas producto de este aumento de temperatura.

Una posible respuesta a esta pregunta es que existen procesos dados por la naturaleza que no pueden suceder de manera inversa. Uno de estos procesos que no pueden ocurrir al revés es, por ejemplo, el tiempo, el cual siempre sigue una línea que va de pasado a futuro pero nunca en sentido contrario. Es decir, parece que nunca podremos ver hacia el pasado y mucho menos podremos saber qué sucederá en el futuro. Vivimos, por consiguiente, de momentos específicos a los que llamamos presente y que no son otra cosa que sucesiones de acontecimientos que van quedando en el pretérito.

Esta flecha del tiempo que parece ser inviolable, que está atada a los principios y leyes con que se rige la naturaleza, parece tener una continuación en el mundo de la termodinámica. ¿A qué nos referimos cuando hablamos de termodinámica? Ésta puede ser definida como la descripción de estados de equilibrio a partir del estudio de sistemas reales. Un ejemplo de un sistema termodinámica puede ser una máquina que, a partir del movimiento de unos pistones, produce calor. El calor se disipa por el ambiente y si se deja de producir la energía con estos pistones el sistema tenderá a enfriarse hasta regularizarse con la temperatura del medio ambiente. Para producir calor es necesario que exista una fuente mecánica o eléctrica lo produzca.

Los seres humanos, así como cualquier otro ser vivo del reino animal, podrían ser ejemplos de sistemas termodinámicos, ya que el movimiento de la sangre dentro de nosotros, producto del movimiento mecánico del corazón, hace que ésta se caliente a una temperatura determinada. En este sentido cualquier forma de calor que es enviada a la atmósfera o al medio ambiente generará una cierta cantidad de entropía o caos. Este “caos” es irreversible: al igual que nuestra flecha del tiempo que no puede ir para atrás.

El universo mismo, todo en su conjunto, podría ser un sistema termodinámico. ¿Cómo se produce el calor del universo? Los agentes productos de este aumento de temperatura en el universo son las estrellas que generan ingentes cantidades de energía y que son depositadas en el espacio. Dicha energía se produce a partir del calentamiento de varios miles de grados centígrados que se da a partir de la descomposición y fusión de elementos químicos que se vuelven cada vez más pesados. Así, tenemos estrellas que a partir de la fusión de átomos de hidrógeno llegan a producir otro elemento un poco más pesado que es el helio y así sucesivamente hasta llegar a elementos cada vez más pesados como por ejemplo el oxígeno.

¿Pero a dónde se va todo el calor que producen las estrellas? Hemos dicho que al espacio, pero: ¿a qué parte de este? Todo parece indicar que la energía se disipa por igual en todas partes. Que su presencia fluye a lo largo y ancho del universo. Lo interesante de todo esto es que dichas cantidades de energía tienden a ser a nuestro universo un poco más caótico de lo que era segundos o minutos antes. En otras palabras: el universo parece que tiende al caos y, por muy paradójico que parezca, también tiende a enfriarse. Recordemos que éste surgió a partir de una gran explosión que sucedió hace unos 13,500 millones de años y que, poco a poco se ha ido enfriando. ¿Pero cómo es que es capaz de enfriarse si existen miles de millones de estrellas produciendo energía continuamente? Todo parece indicar que toda esta cantidad de energía que producen los astros es incapaz de calentar al universo lo suficiente para que exista, nuevamente, una gran explosión. Aquí nuestra línea del tiempo nos está diciendo que el universo tiende a enfriarse y seguramente se apagará en algún momento del futuro lejano.

En este sentido, todo parece indicar que esta línea del tiempo inviolable que parece ir de pasado a futuro y no a la inversa va de la mano o está relacionada con los procesos termodinámicos que suceden en el universo. Procesos termodinámicos que a su vez tienden a la entropía y al caos. ¿Pero por qué es esto así y no de otra manera? Esa es una de las grandes preguntas que mantienen a los científicos trabajando arduamente intentado darle respuesta. La respuesta podría venir de un estudio más minucioso y puntual de toda esta serie de procesos que suceden en nuestro entorno universal. Procesos a los que estamos sujetos también todos los seres vivos. De hecho, se habla de que la enfermedad del cáncer es resultado de un proceso caótico que comienza a gestarse en el organismo enfermo. Un proceso caótico que se manifiesta cuando las células cancerosas comienzan a desorganizarse y a replicarse a velocidades inusitadas hasta matar al organismo al que pertenecen.

Desde este punto de vista podemos decir que la vida de las estrellas, la vida de los organismos vivos y de todo lo que existe en el universo tiende a un desorden que se manifiesta a través del caos de los sistemas. A este caos de los sistemas se le llama entropía. La entropía es un estado en el que las cosas están desorganizadas, dejan de tener sentido y lógica. Al menos lógica para nuestra limitada mente humana. Cuando hablo de los límites de la mente humana no me refiero a que seamos tontos, sino a que somos incapaces, todavía y tal vez siempre, de comprender los mecanismos del universo. Comprender por qué existe una línea del tiempo que, hasta el momento, es inviolable. Inviolable en el sentido de que no nos permite regresar en el tiempo y cambiarlo, por ejemplo. O por qué los sistemas tienden al orden y no al desorden.

En fin… la física, pero sobre todo la filosofía, tienen todavía mucho que aprender de la realidad que observamos todos los días. Una realidad que, para algunos, es tan solo uno conjunto de espejos que se superponen y que nos impide la esencia de las cosas, los fundamentos de éstas. Lo curioso es que a la hora de enfrentarnos con la esencia de la realidad, nuestra propia mente la transforma y altera a su conveniencia, dejándonos parados en suelos que son poco firmes.

Tal vez es que existen muchos universos y muchas realidades que somos incapaces de comprender por la única arma con la que contamos los seres humanos: la razón. Un arma que se disipa cuando nos percatamos de que nuestra mente no puede comprender la totalidad. Cuando nos damos cuenta de que solamente pisamos fragmentos del todo. Que esas partes del todo no se pueden unir por vía de la razón. ¿Tal vez por eso los seres humanos a veces nos sentimos tan desamparados que nos vemos obligados a buscar dioses para darle sentido a nuestra existencia? ¿Es este desamparo producto de nuestra incapacidad para comprender el todo? Y finalmente, ¿qué es el todo? ¿Una sucesión de razonamientos, de entidades, de los cuales no tenemos las llaves ni las cerraduras correctas para comprenderlos y abrirlos? ¿O será que el todo es una fuerza superior que llena a todo el universo y que busca que nunca la entendamos? Lo más plausible es que el universo esté lleno de cadenas de razonamientos lógicos que todavía no comprendemos, pero que están ahí para ser desentrañados por nuestras mentes en algún momento del tiempo.

Cómo la física cuántica puede hacer “La Matrix” más eficiente

Las simulaciones cuánticas necesitan guardar menos información para predecir el futuro que las simulaciones clásicas. El hallazgo se aplica para el fenómeno descrito como proceso estocástico /Fuente: http://www.physorg.com

Investigadores de la Universidad Nacional de Singapur y de Bristol en Inglaterra han descubierto una nueva manera en la cual los ordenadores basados en computación cuántica podrían vencer el desempeño de aquellos que están basados en procesar la información de forma clásica. Una forma más sencilla de comprender esto es imaginar una simulación de la realidad como una Matrix: si se quiere simular la realidad a través de un ordenador cuántico, se requerirá una menor cantidad de memoria que si esta misma simulación se hiciera en un ordenador clásico. La investigación también alude a una nueva forma de investigar si una teoría más profunda podría ocultarse debajo de la teoría cuántica.

El hallazgo emerge también de una consideración fundamental respecto a cuánta información es necearia para predecir el futuro, de tal suerte que los investigadores que participaron (Mile Gu, Elizabeth Rieper y Vlatko Vedral) se basaron en la simulación de procesos estocásticos que se basan en la premisa de que existen varios resultados posibles para un mismo procedimiento y donde cada uno ocurre con una probabilidad calculable. De hecho muchos fenómenos como los valores en los mercados bursátiles o la difusión de los gases, pueden ser modelados como procesos estocásticos.

La menor cantidad de información requerida para simular un proceso estocástico dado es un tópico significativo de estudio en el campo de la complejidad cuántica que, en literatura científica, se le conoce como complejidad estadística.

Los investigadores saben cómo calcular la cantidad de información transferida de manera inherente en un proceso estocástico. Teóricamente, esto establece el volumen más bajo de información requerido para simular el proceso. En realidad, sin embargo, simulaciones clásicas de procesos estocásticos requieren más capacidad de almacenamiento.

De hecho, también pudieron comprobar que las simulaciones cuánticas necesitan guardar menos información que los simuladores clásicos, esto se debe a que las simulaciones cuánticas pueden codificar información sobre las probabilidades en una superposición, donde 1 bit cuántico de información puede representar más que 1 bit clásico.

Lo que ha sorprendido a los investigadores es que las simulaciones cuánticas realizadas no han sido tan eficientes como podrían ser, ya que han necesitado guardar más información que la que el proceso realmente necesita.

Esto sugiere también que la teoría cuántica no ha podido ser optimizada. “Lo que es facinante para nosotros es que sigue existiendo una brecha y te hace pensar que quizá exista una nueva manera de concebir una nueva teoría que vaya más allá de de la física cuántica”, dijo Vlatko Vedral.

El artículo ha sido publicado, apenas el 27 de Marzo, en la revista Nature

TRADUCCIÓN Y EDICIÓN de Julio García.

FUENTE: www.physorg.com

¿Por qué las cosas no suceden al revés?

Relojes de Salvador Dalí /Fuente: http://www.tcalo.com

El por qué las cosas no suceden al revés y siempre siguen un curso específico en el espacio y el tiempo es una cuestión que pocas veces nos planteamos porque damos por sentado que así debe ser y punto, sin embargo, dentro de cada acontecimiento de nuestra existencia, y en todos los procesos del universo, va implícita la entropía, un término acuñado en 1850 por el físico y matemático Rudolf Clausius, quien afirmó que “no es posible proceso alguno cuyo único resultado sea la transferencia de calor desde un cuerpo frío a otro más caliente”. En el programa de hoy nos dedicamos a profundizar sobre este concepto:

 

> El periodista José Ángel Cuadrado nos habla en su sección sobre tecnología acerca de la llegada a España del BlackBerry Torch 9800 de la mano de Movistar. Un dispositivo que promete mucho por su diseño y aplicaciones:

 

> En nuestro resumen de lo más destacado en ciencia y tecnología de la semana hablamos sobre Lectura de pensamiento a través de estímulos, el nuevo super ordenador chino y lo común que pueden ser los planetas como la Tierra según un equipo de astrónomos. Y en nuestra reseña bibliográfica nos referimos al reciente libro de Fernando Corbalán titulado La proporción áurea: el lenguaje matemático de la belleza: