Por una de esas casualidades de la vida, han coincidido en
pocos días el mail que mandé el pasado fin de semana sobre los fundamentos,
según mis humildes entendederas, de la esa maravillosa máquina que ayuda a
salvar muchas vidas cada día en los hospitales de todo el mundo, la Resonancia
Magnética, con una noticia que ha creado un shock en toda la comunidad
científica mundial:
Logran, por primera vez, que el tiempo fluya hacia atrás
Adjunto los comentarios que he considerado más interesantes
de este link
En nuestra experiencia cotidiana el tiempo transcurre,
siempre, en una única dirección, esto es, desde el presente hacia el futuro. La
materia envejece y se corrompe, los niños crecen, los adultos se hacen viejos y
a nadie se le ocurriría quedar con un amigo “hace tres horas”.
Sin embargo, y desde hace décadas, los científicos se
preguntan si el Universo “debe” por fuerza avanzar y desarrollarse en esa única
dirección. ¿Por qué no al revés? Sobre todo teniendo en cuenta que, en el mundo
de las partículas subatómicas, esas de las que todo y todos estamos hechos, las
leyes de la Física son simétricas con respecto al tiempo. O lo que es lo mismo,
funcionan igual con independencia de que el tiempo transcurra hacia delante o
hacia atrás. Es al pasar al nivel macroscópico cuando todo parece “elegir”
moverse únicamente hacia el futuro. El físico Arthur Eddington bautizó esta
situación, a principios del siglo pasado, como “la flecha del tiempo”.
La razón por la que esta “flecha” apunta siempre en una
dirección, pero no en la otra, es uno de los mayores rompecabezas científicos
de todos los tiempos. Y la respuesta clásica para que las cosas sean así es que
la flecha del tiempo se desprende de la Segunda Ley de la Termodinámica, que
establece que la entropía, o el desorden, siempre aumenta dentro de un sistema
cerrado.
Es por eso, por ejemplo, que la leche se mezcla fácilmente
con el café o el té, pero nunca vuelve a emerger limpia y pura de una taza de
café con leche; o que un huevo, una vez frito, jamás volverá a ser un huevo
crudo; o que el calor fluya siempre desde el objeto más caliente hacia el más frío,
y nunca al contrario.
Otra razón importante para que las cosas funcionen tal y
como vemos son las condiciones iniciales del sistema. Y por motivos que aún
escapan a nuestra comprensión, el Universo primitivo estaba muy caliente y su
energía se distribuía uniformemente por todas partes. Lo cual es un estado de
baja entropía en un sistema dominado por la gravedad. Con el paso del tiempo,
en efecto, la entropía del Universo no ha dejado de aumentar, y eso es lo que
determina la dirección de la flecha del tiempo.
“Desfreír” un huevo
Ahora, un equipo internacional de investigadores liderado
por Kaonan Micadei, físico en la Universidad Federal ABC, en Brasil, se ha
preguntado qué sucedería al modificar las condiciones iniciales de un sistema
cerrado. Es decir, si el estado inicial de un sistema determina la dirección de
la flecha del tiempo, ¿sería posible crear, aquí en la Tierra, sistemas
cerrados cuyas condiciones iniciales obliguen a la flecha del tiempo a apuntar
en la dirección opuesta? Si la respuesta fuera afirmativa, dentro de ese
sistema los huevos fritos podrían “desfreirse” de forma espontánea y el calor
podría fluir de los objetos más fríos a los más calientes.
La respuesta es que sí. Micadei y su equipo, en efecto, han
logrado, por primera vez, construir un sistema de estas características. Y,
efectivamente, en su experimento la flecha del tiempo apunta en dirección
contraria, permitiendo a los investigadores comprobar cómo un objeto frío es
capaz de aportar calor a otro más caliente, algo impensable en nuestra realidad
cotidiana. El trabajo, publicado en arXiv.org, abre las puertas al desarrollo
de toda una nueva generación de dispositivos en los que el tiempo se mueve
hacia atrás, en lugar de hacia delante.
La investigación, por supuesto, no nos permitirá emprender
un viaje al pasado para ver dinosaurios, pero sí que podría decirnos por qué
nuestro Universo está “atrapado” en una calle de un solo sentido.
Entrelazamiento cuántico
El exótico sistema creado en laboratorio por los
investigadores es una mezcla de cloroformo disuelto en acetona. El cloroformo
(CHCl3), está formado por un átomo de carbono, otro de hidrógeno y tres de
cloro, un escenario perfecto para llevar a cabo experimentos de física
cuántica, que es capaz de manipular los espin (una especie de rotación interna)
de los núcleos de carbono e hidrógeno gracias a una técnica denominada
resonancia magnética nuclear.
La idea era alinear los núcleos por medio de un potente
campo magnético. Los físicos usaron pulsos de radio para invertir uno o ambos
espins, y consiguieron que ambos se entrelazaran. El entrelazamiento es un
extraño, pero bien conocido proceso cuántico en el que dos partículas comparten
la misma existencia de forma que, como si de dos gemelos microscópicos se
tratara, lo que le sucede a una es inmediatamente “sabido” por la otra, con
independencia de la distancia que las separe. Después, una vez entrelazados, al
escuchar las señales de radio emitidas por los núcleos los físicos pudieron
determinar cómo evolucionaban sus estados cuánticos.
Al mismo tiempo, los núcleos de los átomos de carbono e
hidrógeno estaban en contacto térmico, lo que significa que la energía térmica
podía fluir entre ambos. Los investigadores podían controlar la temperatura de
los dos núcleos y calentarlos de forma independiente gracias a la resonancia
magnética nuclear. En estas condiciones, lo lógico sería que, como sucede en el
mundo real, el calor fluyera desde el núcleo más caliente hacia el más frío.
Pero Micadei y su equipo observaron justo lo contrario.
La clave para lograrlo fue, como se ha dicho antes, el
entrelazamiento, el fenómeno que Micadei y sus colegas explotaron para crear el
conjunto único de condiciones iniciales que permiten que, dentro de ese
sistema, el tiempo corra hacia atrás.
El resultado fue la creación de un tipo de “motor” capaz de
impulsar la energía térmica en la dirección opuesta a la que nos es familiar.
“Observamos -reza el artículo- un flujo de calor espontáneo desde el sistema
frío al caliente”.
Escala macroscópica
El hallazgo tiene importantes implicaciones para nuestra
comprensión de la naturaleza del tiempo, y de su relación con el
entrelazamiento cuántico y la entropía. “Nuestros resultados soble la flecha
termodinámica del tiempo -explica Micadei- podrían también tener estimulantes
consecuencias sobre la flecha cosmológica del tiempo”. Lo cual da a entender
que procesos parecidos a los descritos en su experimento podrían ser
responsables de las condiciones iniciales del Universo, el sistema en que
vivimos, y explicar por qué el tiempo fluye en la dirección que observamos.
Otro aspecto significativo de este trabajo, de naturaleza
más práctica, es que los fenómenos observados por los investigadores no se
limitan solo a los sistemas microscópicos, sino que funcionan también a escala
macroscópica, con un gran número de moléculas implicadas. Por lo tanto, estos
resultados podrían desembocar en una nueva generación de dispositivos en cuyo
interior el tiempo correría al revés, y que serían capaces de conducir la
energía térmica de objetos fríos a otros más calientes.
(Fin del citado artículo)
Y ahora, un resumen de mi mail del pasado fin de
semana ( sobre las claves del funcionamiento de la Resonancia Magnética )
sacado de dos links, uno de la Universidad de Santiago de Compostela y otro de
la Universidad Autónoma de Madrid
1.Información sacada del Link de la Universidad de
Santiago de Compostela:
Situación fuera del equilibrio
Un pequeño pulso en la región de las radiofrecuencias (MHz)
aplicado en un plano perpendicular al campo magnético del imán genera un
segundo campo magnético (dirección B1) que puede inducir transiciones (cambios
de población) entre los estados del espín. Esto sucederá cuando el pulso tenga
exactamente la energía exacta DE que separa los dos estados +½ y -½, o
dicho de otro modo, cuando su frecuencia coincida con la frecuencia de Larmor.
Fig. Un pulso de la frecuencia adecuada
(radio-frecuencia) induce transiciones que perturban las poblaciones de
equilibrio de los espines nucleares.
A nivel macroscópico, durante el tiempo que dura el pulso,
este segundo campo magnético se producen rotaciones de los espines nucleares
"imanes". Cuando el pulso deja de aplicarse los espines dejan de
rotar y quedan alineados (un pequeño exceso de población), en una dirección en
principio arbitraria que puede no ser la misma que la situación de equilibrio.
Fig. Situación fuera del equilibrio creada tras la
aplicación de un pulso de la frecuencia adecuada (radio-frecuencia)
Los pulsos producen rotaciones de la magnetización neta en
determinadas direcciones, esto puede representarse por medio de un diagrama con
ejes cartesianos, lo que se conoce como modelo vectorial:
Fig. Un pulso de radiofrecuencia consiste en un campo
magnético adicional B1 aplicado a lo largo de un eje situado en
el plano x-y durante un tiempo limitado. El sistema de espines absorbe energía
y la magnetización neta M rota un determinado ángulo hacia el plano x-y mientras
dure el pulso. En la figura el pulso se aplica durante un determinado tiempo
hasta conseguir girar la magnetización 90º en torno al eje y hasta
llevarla exactámente sobre el eje x.
Cuando el pulso cesa, los espines nucleares que se
encuentren en situación fuera del equilibrio, tienden a recuperar
espontáneamente el estado inicial de población de equilibrio. Esto se consigue
emitiendo el exceso de energía en forma de una onda de radio a la frecuencia de
Larmor de los espines. Esta señal es amplificada y digitalizada
convenientemente y es lo que se conoce como un espectro de RMN.
Fig. Cuando el sistema regresa a la situación de
equilibrio se emite una onda llamada FID que da lugar al espectro de RMN
A nivel macroscópico la vuelta a la situación de equilibrio
lleva a la situación inicial donde los pequeños imanes están alineados con B0:
2.Información sacada del siguiente Link de la
Universidad Autónoma de Madrid:
La magnetización transversal en el plano xy, que
gira a la frecuencia de resonancia de los núcleos en cuestión y que decae con
el tiempo, induce una rf en la bobina receptora. Después de la debida
amplificación, la rf se mide en intervalos muy cortos de tiempo. Cada medida se
lleva a una posición de memoria del ordenador. Al cabo de 2-3 min. el ordenador
ha almacenado miles de medidas, cuyos puntos, representados de forma
consecutiva, forman una función senoidal compleja, denominada FID.
La FID es por tanto una medida de la vuelta al
equilibrio. Para ello, la señal de rf se ha convertido (digitalizado)
en miles de puntos (TD) durante el tiempo de medida, denominado tiempo de
adquisición (AQ).
La FID está constituida por una composición de señales
senoidales, cada una correspondiente a una señal del espectro. Esta
señal necesita de un tratamiento posterior para convertirla en el espectro.
Las frecuencias encerradas en una FID pueden desenmascararse
mediante la función matemática de la transformada de Fourier (FT). Aplicada la
ecuación integral compleja de la FT a cada punto de la FID, que está definida
en el dominio del tiempo (AQ), se obtiene un nuevo conjunto de puntos, que es
el verdadero espectro rmn, en el dominio de las frecuencias.
(fin de información sacada de los links citados, para
aclarar el principio de funcionamiento de las Resonancias Magnéticas que se
hacen cada día en los hospitales de todo el mundo )
Conclusiones
Vuelvo a poner de nuevo la idea clave del experimento
anunciado por estos científicos de la Universidad ABC de Brasil
La idea era alinear los núcleos por medio de un potente
campo magnético. Los físicos usaron pulsos de radio para invertir uno o
ambos espins, y consiguieron que ambos se entrelazaran. El
entrelazamiento es un extraño, pero bien conocido proceso cuántico en el que
dos partículas comparten la misma existencia de forma que, como si de dos
gemelos microscópicos se tratara, lo que le sucede a una es
inmediatamente “sabido” por la otra, con independencia de la distancia que las
separe. Después, una vez entrelazados, al escuchar las señales de radio
emitidas por los núcleos los físicos pudieron determinar cómo evolucionaban sus
estados cuánticos.
Al mismo tiempo, los núcleos de los átomos de carbono
e hidrógeno estaban en contacto térmico, lo que significa que la energía
térmica podía fluir entre ambos. Los investigadores podían controlar la
temperatura de los dos núcleos y calentarlos de forma independiente gracias a
la resonancia magnética nuclear. En estas condiciones, lo lógico sería
que, como sucede en el mundo real, el calor fluyera desde el núcleo más
caliente hacia el más frío. Pero Micadei y su equipo observaron justo lo
contrario.
La clave para lograrlo fue, como se ha dicho antes, el
entrelazamiento, el fenómeno que Micadei y sus colegas explotaron para
crear el conjunto único de condiciones iniciales que permiten que, dentro de
ese sistema, el tiempo corra hacia atrás.
El resultado fue la creación de un tipo de “motor” capaz de
impulsar la energía térmica en la dirección opuesta a la que nos es familiar.
“Observamos -reza el artículo- un flujo de calor espontáneo desde el sistema
frío al caliente”.
¡!!!! Chapeau !!!!!!!si esto es así, …….
!!!!la física que conocemos, patas arriba!!!!
Detalles adicionales de este impactante experimento se
pueden encontrar en los siguientes links:
Arrow of
time’ reversed in quantum experiment:
Scientists
REVERSE TIME in experiment breaking 2nd law of thermodynamics:
Termino con el resumen hecho por el MIT el 22 de
Diciembre de 2017:
Physicists
Demonstrate How to Reverse of the Arrow of Time:
One of the
more curious challenges in physics is to understand the nature of time. At the
microscopic level, the laws of physics are symmetric with respect to time—they
work just as well whether time runs forwards or backwards. But at the
macroscopic level, processes all have a preferred direction. The great
physicist Arthur Eddington called this the “arrow of time.”
Just why
this arrow points in one direction but not the other is one of the great
scientific puzzles. The standard answer is that the arrow of time follows from
the Second Law of Thermodynamics—that disorder, or entropy, always increases in
a closed system.
That’s why
milk mixes easily in tea but never emerges from a brew, why scrambled eggs
never spontaneously unscramble, and why your morning mug of coffee heats your
hands as you hold it and not the other way around.
But there
is another factor at work—the universe’s initial conditions. For reasons
unknown, the early universe was hot and its energy distributed evenly. This is
a low-entropy state for a system that is dominated by gravity.
Over time,
the entropy has continually increased, and this is what has largely determined
the arrow of time.
But that
raises an interesting possibility. If the initial conditions determine the
arrow of time, perhaps it is possible to create systems on Earth with initial
conditions that force the arrow of time to run in the opposite direction. In
these systems, eggs could spontaneously unscramble and
heat could flow from cold objects to hot ones.
Today,
Kaonan Micadei at the Federal University of ABC in Brazil and a few pals have
built such a system for the first time. In their experiment, the arrow of time
runs in reverse, allowing them to observe a cold object heating up a hotter
one. The work raises the possibility of a new generation of devices in which
the arrow of time runs backwards.
The exotic
new system is a mixture of chloroform dissolved in nail polish remover, or
acetone. Chloroform—CHCl3—consists of a single carbon atom, a single
hydrogen atom, and three chlorine atoms.
This
creates a perfect playground for quantum physicists, who are able to
manipulate the nuclear spins of single carbon and hydrogen nuclei using a
technique called nuclear magnetic resonance.
The idea is
to align the nuclei using a strong magnetic field. Physicists then use radio
pulses to flip one or both spins, causing them to become correlated or
entangled. And by listening to the radio signals emitted by the
nuclei, the physicists can work out how the quantum states of the nuclei
evolve.
At the same
time, the carbon and hydrogen nuclei are in thermal contact, meaning that
heat energy can flow from one to the other. The team can control
the temperature of both nuclei by selectively heating them using nuclear
magnetic resonance. When one nucleus is hotter than the other, heat
naturally flows from the hot one to the colder one.
In the new
experiment, Micadei and co have observed the opposite. And the key is to
entangle the nuclei in advance. Entanglement is the strange quantum process in
which two quantum particles share the same existence. It is this phenomenon
that Micadei and co have exploited to create the unique set of initial
conditions that allow time to run backwards.
When the
nuclei are entangled, the correlation places extra limits on the way the
particles behave, resulting in a kind of engine that drives heat
energy in the opposite direction. “We observe a spontaneous heat flow
from the cold to the hot system,” say the team.
That has
important implications for our understanding of time and its relationship to
entanglement and entropy. “Our results on the thermodynamic arrow of time might
also have stimulating consequences on the cosmological arrow of time,” say
Micadei and co, hinting that similar correlations may be responsible for the
universe’s initial conditions.
A
significant point in this work is that the phenomenon is not limited to
microscopic systems. Indeed, these NMR experiments work on a macro scale in
which huge numbers of molecules contribute to the observed signal. So the
result may also allow a new generation of devices that drive heat from cold
regions to hot ones.
Interesting
work on the fundamentals of time.
Que disfrutes cada hora del fin de semana
Un cordial saludo
Alvaro Ballesteros
