L'IFISC (CSIC-UIB) participa en una recerca internacional que demostra com els sistemes quàntics poden evolucionar simultàniament cap endavant i cap endarrere en el temps
Un equip de físics de les universitats de Viena i de Bristol, de l‘IFISC (UIB-CSIC) i de l'Institut d'Òptica Quàntica i Informació Quàntica (IQOQI-Viena) ha demostrat com els sistemes quàntics poden evolucionar simultàniament al llarg de dues fletxes temporals oposades (cap endavant i cap endarrere en el temps). L'estudi s'ha publicat al darrer número de Communications Physics.
Fluxos de temps cap endavant i cap endarrere
En observar el moviment celeste, sovint es percep una sensació d'eternitat que podria portar-nos a demanar-nos si el temps existeix realment, després de tot. En canvi, en mirar cap endarrere en la nostra vida quotidiana, s'extingeixen tots els dubtes: el temps existeix i avança.
Aquesta aparent certesa prové del fet que la majoria dels fenòmens físics macroscòpics només poden ocórrer en una direcció. Per exemple, la seqüència de coses que fem en la nostra rutina matutina. Si algú ens mostràs la pasta de dents movent-se des del raspall de tornada al tub, sabríem sens dubte que ens mostra el rebobinatge de l'enregistrament del nostre dia.
En física, aquesta propensió d'uns certs fenòmens a produir-se en una sola direcció temporal està vinculada a la seva producció d’«entropia», que és la magnitud física que defineix la quantitat de desordre en un sistema. En la naturalesa, els processos tendeixen a evolucionar espontàniament d'estats amb menys desordre a estats amb més desordre, i aquesta propensió pot utilitzar-se per identificar una fletxa del temps. Així, si un fenomen produeix una gran quantitat d'entropia, observar la seva inversió temporal és tan improbable que resulta essencialment impossible. No obstant això, quan l'entropia produïda és prou petita, existeix una probabilitat no menyspreable de veure la inversió temporal d'un fenomen de manera natural.
Tornant a l'exemple de la pasta de dents, si estrenyéssim el tub amb suavitat i només en sortís una part molt petita de la pasta de dents, no seria tan improbable observar com torna a entrar-hi, aspirada per la descompressió del tub. En canvi, si estrenyem el tub amb més força, la pasta de dents s'escamparà de manera irreversible i requeriria un esforç molt més gran tornar a ficar-la-hi tota.
La frontera entre l'avanç i la reculada es difumina en la mecànica quàntica
Un equip de físics de les universitats de Viena i de Bristol, de l’IFISC (UIB-CSIC) i de l’IQOQI-Viena, sota la direcció de Časlav Brukner, ha aplicat aquesta idea a l'àmbit quàntic cercant aprofundir en el coneixement de la manera com flueix el temps en aquest règim.
Una de les peculiaritats del món quàntic és el principi de superposició quàntica, segons el qual si dos estats d'un sistema quàntic són possibles, llavors aquest sistema també pot estar en tots dos estats al mateix temps. Si consideram que el sistema evoluciona en una o altra direcció temporal (la pasta de dents que surt del tub o hi torna a entrar), resulta que els sistemes quàntics també poden trobar-se evolucionant simultàniament en totes dues direccions temporals.
Encara que aquesta idea sembla bastant absurda quan s'aplica a la nostra experiència quotidiana, en el seu nivell més fonamental, les lleis de l'univers es basen en principis de la mecànica quàntica. Això ens porta a demanar-nos per què mai no trobam aquestes superposicions de fluxos temporals en la naturalesa.
«En el nostre treball, quantificam l'entropia produïda per un sistema que evoluciona en superposició quàntica de processos amb fletxes temporals oposades. Descobrim que la majoria de les vegades el sistema es projecta en una direcció temporal ben definida, corresponent al procés més probable dels dos», explica Gonzalo Manzano, coautor de l'estudi. No obstant això, quan es tracta de petites quantitats d'entropia (per exemple, quan es vessa tan poca pasta de dents que es pot veure com es reabsorbeix al tub), llavors es poden observar físicament les conseqüències que el sistema hagi evolucionat en les direccions temporals cap endavant i cap endarrere al mateix temps.
Com assenyala Giulia Rubino, autora principal de la publicació, «encara que el temps sol tractar-se com un paràmetre que augmenta contínuament, el nostre estudi mostra que les lleis que regeixen el seu flux en contextos de mecànica quàntica són molt més complexes. Això pot suggerir que hem de repensar la forma en què representam aquesta quantitat en tots aquells contextos en els quals les lleis quàntiques exerceixen un paper crucial.»
Referència bibliogràfica
Rubino, G., Manzano, G. & Brukner, Č. Quantum superposition of thermodynamic evolutions with opposing time’s arrows. Commun Phys 4, 251 (2021). https://doi.org/10.1038/s42005-021-00759-1
Data de publicació: 29/11/2021