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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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Algunos científicos están explorando la relación que podría haber entre nuestras mentes y el mundo cuántico

A pesar de todas las investigaciones que se han hecho, aún seguimos sin comprender cómo funciona el cerebro humano, y mucho menos sabemos todavía sobre el misterio de la conciencia. En este sentido, los científicos no se ponen de acuerdo si la conciencia podría existir fuera de las ilusiones de nuestra imaginación colectiva. Algunos arguyen que existe independientemente, sin embargo para comprender su origen tenemos que traer a la física cuántica a la discusión.

Esto es probablemente en parte por como determina el “efecto del observador” a la realidad y cómo ello desafía uno de los principio básicos de la ciencia: que hay un objeto, una realidad observable que existe si la estamos viendo o no. La revelación de que observar y medir efectos cuánticos cambian su comportamiento es preocupante, pero también sugiere que la conciencia en sí misma es parte de la teoría cuántica. Además, la inteligencia artificial que ha creado el hombre en los últimos años está muy lejos de comportarse como verdaderos seres humanos en el sentido de que dichas máquinas no tienen conciencia de la existencia de sí mismas, como sí lo tiene el ser humano; estamos obligados, pues, a vernos reflejados en esas máquinas de forma borrosa pese a que las computadoras cuánticas del futuro prometen acercarse cada vez más no solamente a la inteligencia humana sino también a la conciencia.

Fue el físico británico Roger Penrose quien señaló que, dejando de lado el efecto del observador, la mecánica cuántica podría estar involucrada en la conciencia. Más específicamente: pensó que podría ser posible que los eventos cuánticos causen que las estructuras moleculares en el cerebro alteren su estado y que así activen neuronas en diferentes formas; que existan efectos cuánticos dentro del cerebro.

Pese a todo lo que hemos logrado con el cerebro humano, este tiene sus debilidades, y probablemente pensar en la existencia de la conciencia cuántica sea una de ellas. Somos intelectualmente superiores a otras especies por nuestra habilidad de procesar patrones complejos, pero también es cierto -es un hecho probado- que el cerebro humano es propenso a ver patrones significativos cuando en realidad estos patrones no existen (en medio de un ruido sin sentido). Y aunque el estudio de la física cuántica ciertamente no es un ruido sin sentido, es posible que nuestras mentes -que son unas máquinas increíbles para producir significado- estén equivocadas a la hora de atribuir efectos cuánticos a la propia conciencia. Entonces, ¿realmente tiene sentido pensar que nuestra falta de comprensión tanto de la conciencia como de la mecánica cuántica apunta a una conexión más grande?

 

Nuestro universo participativo.
La filosofía no es la única rama del conocimiento que trata de responder a la pregunta que nos hemos hecho más arriba, ya que si de hecho hay una conexión entre la mecánica cuántica y la conciencia, cualquier avance importante en nuestra comprensión de cualquiera de ellos, podría ayudarnos a comprender ambos. Por ejemplo, avances en las computadoras cuánticas, abren la puerta a una forma de inmortalidad. Una mejor comprensión de la propiedad de superposición podría enseñarnos como conquistar múltiples ideas que se excluyen unas a otras.

O quizá, a lo largo de estos años nos hemos aproximado a estos temas de manera incorrecta. Cuando miramos la mecánica cuántica, nosotros nos preguntamos a nosotros mismos si con nuestra observación estamos mirando y afectando lo que observamos o si es el acto de ser conscientes es consecuencia de lo que está allá afuera en realidad es lo que nos está perturbando ¿Es posible que saber cómo pensar de la manera correcta, alcanzando una conciencia cuántica, nos permita percibir la mecánica cuántica por primera vez? En cierto sentido, siempre hemos sido parte del universo participativo de Wheeler, prestando nuestra interpretación a lo que es la realidad a medida que registramos nuestra propia historia.

Por ahora, la mayor parte de la comunidad científica considera los efectos cuánticos en el cerebro con escepticismo: una respuesta apropiada en este momento.

Si es verdad la que la conciencia influye en la mecánica cuántica o no, y si es verdad o no que requerimos de la teoría cuántica para comprender de manera total cómo funciona el cerebro, por ahora solamente podemos disfrutar de la comodidad útil que esta asociación de ideas provee. La teoría cuántica nos ha forzado a salir de nuestra zona de confort en la medida en que consideramos nuevas formas de pensar y viviendo nosotros mismos alimentados por nuestras propias teorías.

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Traducido y editado por Julio García

Referencia: https://futurism.com/scientists-are-exploring-a-link-between-our-minds-and-the-quantum-world/

El vacío cuántico le da poder a la energía oscura para que el universo se expanda

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Los cosmólogos creen que algo así como tres cuartas partes del Universo están hechas de una misteriosa energía oscura la cual explicaría la expansión acelerada que tiene el cosmos. 

Pese a que desconocen todavía de que está formada esta fuerza, presentan algunas soluciones. Una de estas soluciones tiene que ver con la quintaesencia, que es agente invisible, gravitatorio, que en lugar de atraer los objetos tiende a repelerlos y esto hace que la expansión del universo sea acelerada. Desde el mundo clásico y hasta la Edad Media, este término se ha referido al éter o al quinto-elemento de la naturaleza junto a la TIerra, el Fuego, el Agua y el Aire. Otra posibilidad es la presencia de energía o de un campo invisible cuya densidad se incrementa con el tiempo causando una exponencial aceleración cósmica.

De todo esto se sabe también que la velocidad de expansión podría alcanzar velocidades tan grandes, en el futuro, que serían capaces de romper las fuerzas nucleares de los átomos, y con esto, llegaría el fin del Universo en unos 20,000 millones de años. 

Ahora, científicos de la Universidad de Barcelona y de la Academia de Atenas han utilizado los mismos datos de satélite para demostrar que para comprender el comportamiento de la energía oscura, para que pueda existir, no es necesario recurrir a la quintaesencia o a la energía fantasma.

“Nuestro estudio teórico demuestra que la ecuación del estado de la energía oscura puede puede simular un campo de quintaesencia, sin serlo en realidad, de tal manera que cuando vemos estos efectos en las observaciones que han realizado los satélites WMAP y Planck, lo que estamos viendo es en realidad un espejismo”, afirma Joan Solá, uno de los autores, de la Universidad de Barcelona.

Añade que “lo que nosotros pensamos que está sucediendo es un efecto dinámico del vacío cuántico, un parámetro que podemos calcular”.

Hay que mencionar también que el concepto de vacío cuántico no tiene que ver con la clásica noción de nada absoluta, de ahí que este investigador se atreva a afirmar que “nada está más lleno que el vacío”. 

También proponen que la energía oscura es un tipo de energía vacío-dinámico-cuántico que actúa en la aceleración del universo. Esta propuesta contradice el modelos estático o la llamada constante cosmológica.

En conclusión, y de acuerdo con lo que los autores de este estudio proponen, la explicación de la existencia de un vacío cuántico dinámico es la más simple y natural si la compramos con las otras teorías que se han propuesto sobe el tema.  

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Traducido y editado por Julio García.

Referencia: Daily Galaxy.

 

Científicos dan un nuevo paso en la comprensión del Big Bang

Künstlerische Impression des Quantenraums der Schleifen-Quantengravitation

Actualmente los físicos son incapaces de saber qué sucedió con exactitud durante la Gran Explosión o Big Bang. Tanto la teoría cuántica como la Teoría de la Relatividad fallan a la hora de describir lo que sucedía en aquella densa y caliente sopa de partículas que estaba presente en los primeros minutos en que se formó el universo. Solamente una teoría de la gravedad cuántica que unificara estas dos pilares fundamentales de la física podría proveer de respuestas a preguntas tan importantes respecto a cómo se formó el cosmos.

En este sentido, científicos del Instituto de Física Gravitacional del Instituto Max Planck han hecho un importante descubrimiento hacia esta ruta. De acuerdo con su teoría, el espacio consiste en pequeños bloques. Y tomando como punto de partida a estos pequeños bloques, han podido llegar hasta las ecuaciones de Friedmann, las cuales ayudan a describir el universo y muestran que tanto la mecánica cuántica y la teoría de la relatividad realmente pueden ser unificadas.

Por casi un siglo las dos mayores teorías de la física han coexistido pero siempre han estado peleadas: mientras que la Teoría General de la Relatividad de Einstein describe la gravedad y todo lo que sucede en el mundo macroscópico, la física cuántica describe el mundo de los átomos y de las partículas elementales. Ambas teorías funcionan muy bien en sus propios límites, sin embargo se derrumban en ciertas regiones extremas y en distancias específicas como en la llamada escala de Planck. En este tenor podemos decir que el espacio y el tiempo no tiene ningún significado, deja de funcionar, en los agujeros negros o durante la Gran Explosión.

Daniele Oriti del Instituto Albert Einstein utiliza un fluido para ilustrar esta situación: “Nosotros podemos describir el comportamiento del agua corriendo a través de la ya conocida y clásica teoría hidrodinámica. Pero si nos vamos a escalas cada ves más pequeñas y llegamos a átomos individuales, esta teoría deja de funcionar y es entonces cuando necesitamos de la física cuántica”.

Así como los líquidos están compuestos de átomos, Oriti se imagina el espacio como algo hecho por delgadas células o “átomos de espacio”, por lo que una nueva teoría es necesaria para describirlos: en este caso una teoría cuántica de la gravedad.

En la teoría de la relatividad de Einstein el espacio es un continuo pero Oriti rompe con esta postura y presenta la idea de células elementales y delgadas que funcionan al mismo tiempo tanto con la mecánica cuántica como con la teoría de la relatividad y de esta forma unifica ambas teorías.

Pero el problema fundamental de todas las aproximaciones a la gravedad cuántica consiste en conjuntar y conciliar las inmensas escalas que existen entre los átomos y las dimensiones del universo y en esto es en lo que está trabajando Oriti y su equipo.

La tarea que tienen ahora es describir cómo evolucionó el espacio en el universo partiendo de estas células elementales.

Y otro punto importante a destacar es que su teoría solamente es aplicable al universo homogéneo y el mundo real es mucho más complejo ya que está lleno de inhomogeneidades como los planetas, las estrellas y las galaxias. Pero el grupo de Oriti ya está trabajando para incluir en su teoría dicha falta de homogeneidad.

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Traducido y editado por Julio García.

Referencia:  Phys.org

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Por primera vez logran teletransportar información sobre un circuito electrónico

Chip

Puede ser que teletransportar objetos sea algo que solamente se pueda ver en películas de ciencia ficción, pero teletransportar información es algo completamente diferente y es algo que, por primera vez, han logrado hacer un equipo de investigadores con un chip electrónico.

Lo que hicieron fue teletransportar información en un sistema sólido a través de una distancia de tan sólo seis milímetros, de una las esquinas del chip hacia la otra. Este logro fue posible sin la necesidad de utilizar algún objeto físico que cargara con dicha información.

Para el experimento los científicos utilizaron un dispositivo similar a un chip de computadora y, a diferencia de un chip convencional, la información no fue guardada ni procesada bajo las leyes clásicas de la física. De hecho, utilizaron la mecánica cuántica al crear un estado de entrelazamiento cuantico desde la parte desde que se envió la información y hacia donde se recibió.

“Usualmente la información se transmite a través de pulsos electromagnéticos. En la comunicación vía móvil, por ejemplo, se utilizan pulsos de microondas mientras que en conexiones de fibra óptica se utilizan pulsos ópticos”, afirmó Andreas Wallraff. Y en este nuevo método la información no se transmitió por ningún medio, simplemente pasó de un lugar a otro a través del fenómeno cuántico de entrelazamiento.

A pesar de que lograr transmitir información a una distancia de tan solo seis milímetros sea algo que resulte un tanto desalentador, esta nueva investigación será la base para estudios futuros. De hecho, los circuitos basados en este nuevo funcionamiento serán la base para crear futuras computadoras cuánticas que serán capaces de procesar información a mucho más velocidad que las computadoras actuales.

Por el momento los científicos quieren incrementar la distancia de envío y recepción de la información, posteriormente intentarán teletransportarla entre un chip y otro. Y son optimistas con el hecho de que en el futuro se podrán alcanzar distancias similares a las que actualmente tienen los sistemas ópticos.

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Traducido y editado por Julio García.

Referencia: Science World Report. 

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