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FÍSICA

Desorden irreversible en el mundo de los átomos

Un equipo internacional mide por primera vez el aumento de la entropía en núcleos de carbono

léo ramos chaves Un ejemplo de aumento de la entropía: resulta imposible revertir la fragmentación del plato completa y espontáneamenteléo ramos chaves

Publicado en diciembre de 2015

Físicos brasileños y europeos demostraron, por primera vez, que un minúsculo núcleo atómico también sufre un fenómeno usual, bastante conocido por los seres humanos: los efectos irreversibles del paso del tiempo. Valiéndose de los dispositivos de un laboratorio del Centro Brasileño de Investigaciones Físicas (CBPF), en Río de Janeiro, registraron un aumento irreversible del grado de desorden en el interior de un átomo del elemento químico carbono.

En física, el grado de desorden se mide en una magnitud denominada entropía, que casi siempre es creciente en los fenómenos del mundo macroscópico y, como máximo, se mantiene estable, pero nunca disminuye en un sistema aislado. Una de las consecuencias de que la entropía siempre aumente es que, cuanto mayor es el desorden, más difícil se vuelve revertir perfectamente un fenómeno. “No se puede deshacer la mezcla entre el café y la leche luego de mezclarlos, por ejemplo”, dice el físico Robert Serra, investigador de la Universidad Federal del ABC (UFABC) e integrante del equipo que efectuó los experimentos en el CBPF.

Esto sucede porque el café y la leche –y todo lo demás en el mundo macroscópico– están constituidos por cantidades extremadamente elevadas de átomos que se mueven de las maneras más variadas posibles, en su mayoría aleatorias e incontrolables. Frente a una cifra tan elevada de combinaciones posibles, incluso existe la probabilidad de que los átomos del café se separen de los de la leche, pero la misma es cercana a cero. También es por eso que no se podrían ver los pedazos de un plato que se rompe volviendo a unirse espontáneamente.

A diario, los seres humanos asocian la irreversibilidad de esos fenómenos con el paso del tiempo y con las nociones de pasado y futuro. En condiciones normales, el café y la leche sólo existen en forma separada antes de mezclárselos, y un plato perfectamente íntegro, sólo existe hasta que se rompe. La noción de irreversibilidad condujo al astrónomo y matemático inglés Arthur Eddington a afirmar, en 1928, en el libro La naturaleza del mundo físico, que la única flecha del tiempo conocida en el ámbito de la física era el aumento de la entropía en el Universo, determinado por la segunda ley de la termodinámica, la única ley irreversible de la física. El concepto de flecha del tiempo expresa la idea de que el paso del tiempo se produce preferentemente en un sentido: del pasado hacia el futuro.

“Si bien la percepción de que el tiempo no se detiene y se desplaza siempre hacia el futuro resulta obvia en nuestra experiencia cotidiana, no es algo trivial desde el punto de vista de la física”, dice Serra. Esta dificultad se produce porque las leyes que rigen la naturaleza a nivel microscópico son simétricas en el tiempo y, por lo tanto, reversibles. Esto significa que no habría diferencia entre ir del pasado hacia el futuro y viceversa.

Muchos físicos pensaban que el aumento de la entropía podría constituir un fenómeno exclusivo del mundo macroscópico, porque en el siglo XIX, el físico austríaco Ludwig Boltzmann explicó la segunda ley de la termodinámica a través de los movimientos de una cantidad elevada de átomos. Sin embargo, desde hace 60 años, muchos científicos trabajan para extender la teoría de Boltzmann hacia sistemas construidos con pocos e incluso con un solo átomo. Y ya hay teorías actuales que determinan que una única partícula debe obedecer a la segunda ley de la termodinámica.

El equipo de Serra fue el primero en medir las variaciones entrópicas en un sistema tan pequeño que sólo podía describírselo mediante las leyes de la mecánica cuántica, que rigen al mundo submicroscópico. El físico Tiago Batalhão, alumno de doctorado de Serra en la UFABC, quien actualmente realiza una pasantía de investigación en Austria, lleva a cabo desde 2014 experimentos en colaboración con Alexandre Souza, Roberto Sarthour e Ivan Oliveira, del CBPF, además de Mauro Paternostro, de la Queen’s University, en Irlanda, y Eric Lutz, de la Universidad de Erlangen-Núremberg, en Alemania.

En dichos experimentos emplean campos electromagnéticos para manipular los núcleos de átomos de carbono -de una solución de cloroformo. Esos núcleos poseen una propiedad a la que se denomina espín, que funciona como la aguja de una brújula y señala hacia arriba o hacia abajo, en cada sentido con una energía diferente. Las pruebas comenzaban con el espín de los billones de núcleos apuntando en alguna dirección, la mayoría hacia arriba, y una parte hacia abajo, dependiendo de la temperatura. A continuación, se disparaba un pulso de ondas de radio en el tubo con cloroformo. Con una duración de un microsegundo, el pulso era demasiado corto para que cada núcleo interactuara con sus vecinos o con el medio ambiente. De este modo, el pulso afectaba a cada núcleo en forma aislada. “Es como si cada uno de ellos se mantuviera aislado del resto del universo”, explica Serra.

El primer pulso, formado por ondas cuya amplitud aumentaba con el tiempo, perturbaba al espín de cada núcleo, que fluctuaba rápidamente y cambiaba de dirección. Luego de un cierto tiempo, los investigadores disparaban un segundo pulso, idéntico al primero en casi todo, excepto porque la amplitud de sus ondas disminuía con el tiempo. Mediante el segundo pulso, que representaba una versión del primer pulso invertida en el tiempo, se esperaba lograr que el espín de cada núcleo retornara al estado inicial. De hecho, el espín de cada núcleo retornó a un estado bastante cercano al inicial. Pero mediciones precisas revelaron que los estados inicial y final no eran idénticos. Había una discrepancia derivada de las transiciones entre los diferentes estados de energía de cada espín, asociadas a la entropía que se produce durante el proceso de aumentar y disminuir la amplitud de las ondas, según puede leerse en el artículo publicado en la revista Physical Review Letters.

El físico Vlatko Vedral, de la Universidad de Oxford, en el Reino Unido, quien lleva a cabo experimentos similares empleando láser, considera a ese trabajo una hermosa demostración de lo que estipula la termodinámica cuántica. “Pero no es algo que sorprenda”, afirma. El científico dice que le gustaría saber si la entropía medida a escala subatómica se produce por fenómenos descritos por las leyes de la física o bien, en parte, proviene de algún fenómeno desconocido que incida sobre la flecha del tiempo.

Proyecto
Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología en Información Cuántica (nº 2008/57856-6); Modalidad Proyecto Temático; Investigador responsable Amir Ordacgi Caldeira (Unicamp); Inversión R$ 1.977.654,30 (para la totalidad del proyecto).

Artículo científico
BATALHÃO, T. B. et al. Irreversibility and the Arrow of Time in a Quenched Quantum System. Physical Review Letters. 6 nov. 2015.

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