Uno de los desafíos más curiosos en la física es comprender la naturaleza del tiempo. A nivel microscópico, las leyes de la física son simétricas en relación al tiempo: funcionan igual de bien si el tiempo discurre hacia adelante o hacia atrás. Pero a nivel macroscópico los procesos sienten predilección por la dirección del tiempo hacia delante. El gran físico Arthur Eddington lo llamó la "flecha del tiempo".

El por qué esta flecha apunta en una dirección pero no en la otra es uno de los grandes misterios científicos. La respuesta estándar es que la flecha del tiempo es consecuencia de la Segunda Ley de la Termodinámica: el desorden, o entropía, siempre aumenta en un sistema cerrado.

Es por eso que la leche se mezcla fácilmente con el té pero nunca se separa, por qué los huevos revueltos nunca se desrevuelven espontáneamente y por qué la taza de café de la mañana calienta las manos mientras la sostienes y no al revés.

Pero hay otro factor en juego: las condiciones iniciales del universo. Por razones desconocidas, en sus primeros días, el universo estaba caliente y su energía estaba distribuida de manera uniforme. Era un estado de baja entropía para un sistema dominado por la gravedad.

Con el tiempo, la entropía fue aumentando continuamente y esto es lo que ha determinado en gran medida la flecha del tiempo. Pero también plantea una posibilidad interesante. Si las condiciones iniciales del universo determinan la flecha del tiempo, tal vez sea posible crear sistemas en la Tierra con condiciones iniciales que obliguen a la flecha del tiempo a discurrir en la dirección opuesta. En estos sistemas, los huevos podrían desrevolverse espontáneamente y el calor podría fluir de los objetos fríos a los calientes.

Eso es justo lo que han construido el investigador de la Universidad Federal ABC de Brasil Kaonan Micadei y algunos colaboradores. En su experimento la flecha del tiempo discurre marcha atrás, lo que les permite observar un objeto frío calentar a uno más caliente. El trabajo plantea la posibilidad de una nueva generación de dispositivos en los que la flecha del tiempo se mueva hacia atrás.

El nuevo sistema exótico es una mezcla de cloroformo disuelto en quitaesmalte de uñas, acetona. El cloroformo (CHCl₃) consiste en un solo átomo de carbono, un solo átomo de hidrógeno y tres átomos de cloro.

Esto crea un patio de recreo perfecto para los físicos cuánticos, que son capaces de manipular el espín nuclear de los núcleos individuales de carbono y de hidrógeno mediante una técnica llamada resonancia magnética nuclear. La idea es alinear los núcleos usando un campo magnético fuerte. Después, los físicos usan pulsos de radio para girar uno o ambos espines, lo que los hace correlacionarse o entrelazarse. Y al escuchar las señales de radio emitidas por los núcleos, los físicos pueden determinar cómo evolucionan los estados cuánticos de los mismos.

Al mismo tiempo, los núcleos de carbono e hidrógeno están en contacto térmico, lo que significa que la energía térmica puede fluir de uno a otro. El equipo puede controlar la temperatura de ambos núcleos al calentarlos selectivamente mediante resonancia magnética nuclear. Cuando un núcleo está más caliente que el otro el calor debería fluir de forma natural del caliente al más frío.

Pero en el nuevo experimento, Micadei y su equipo han observado lo contrario. Y la clave es entrelazar los núcleos de antemano. El entrelazamiento es el extraño proceso cuántico por el que dos partículas cuánticas comparten la misma existencia. Es este fenómeno el que Micadei y sus colegas han explotado para crear el conjunto único de condiciones iniciales que permiten que el tiempo discurra hacia atrás.

Cuando los núcleos se entrelazan, la correlación pone límites adicionales a la forma en que se comportan las partículas, lo que produce un tipo de motor que impulsa la energía térmica en la dirección opuesta. "Se observa un flujo de calor espontáneo desde el sistema frío al caliente", dice el equipo.

Eso tiene implicaciones importantes para nuestra comprensión del tiempo y su relación con el entrelazamiento y la entropía. La investigación detalla: "Nuestros resultados sobre la flecha termodinámica del tiempo también pueden tener consecuencias estimulantes sobre la flecha cosmológica del tiempo". Esto da a entender que correlaciones similares podrían ser responsables de las condiciones iniciales del universo.

Un punto importante en este trabajo es que el fenómeno no se limita a los sistemas microscópicos. De hecho, estos experimentos funcionan en una escala macro en la que un gran número de moléculas contribuyen a la señal observada. Por lo tanto, el resultado también podría dar lugar a una nueva generación de dispositivos que conducen el calor de las regiones frías a las calientes.

Interesante trabajo sobre los fundamentos del tiempo.

Ref: arxiv.org/abs/1711.03323: Reversing The Thermodynamic Arrow of Time Using Quantum Correlations