„Săgeata timpului” inversată în experimentul cuantic

Ceașa ta de cafea călduță nu se va încălzi brusc de la sine, indiferent cât de mult ai lăsat drumul la cuptorul cu microunde. Dar aceeași regulă nu se aplică neapărat sistemelor cuantice. La fel ca aerul rece care încălzește o cană, căldura poate curge spontan de la o particulă cuantică rece la una mai fierbinte în anumite condiții, raportează cercetătorii pe 10 noiembrie pe arXiv.org. Acest fenomen pare să inverseze „săgeata timpului”, ideea că procesele naturale merg înainte, dar nu invers (SN: 25/07/15, str. 15).

Existența unei săgeți decurge din a doua lege a termodinamicii. Legea spune că entropia, sau dezordinea, tinde să crească în timp. Această regulă explică de ce este ușor să spargi un pahar, dar greu să-l pui la loc și de ce căldura curge spontan de la cald la rece, dar nu în direcția opusă.

Noul rezultat, însă, „arată că săgeata timpului nu este un concept absolut, ci un concept relativ”, spune coautorul studiului Eric Lutz, un fizician teoretician la Universitatea din Erlangen-Nürnberg din Germania. Sisteme diferite pot avea săgeți de timp care indică în direcții diferite, spune Lutz. În timp ce săgeata a fost aparent inversată pentru cele două particule cuantice, cercetătorii au studiat, de exemplu, săgeata a îndreptat în direcția ei tipică în restul laboratorului.

Inversarea săgeții timpului a fost posibilă pentru particulele cuantice, deoarece acestea erau corelate – proprietățile lor erau legate într-un mod care nu este posibil pentru obiectele mai mari, o relație asemănătoare cu intricarea cuantică, dar nu la fel de puternică. Această corelație înseamnă că particulele împărtășesc anumite informații. În termodinamică, informația are semnificație fizică (SN: 28.5.16, str. 10). „Există ordine sub formă de corelații”, spune fizicianul David Jennings de la Universitatea din Oxford, care nu a fost implicat în cercetare. „Această comandă este ca combustibilul” care poate fi consumat pentru a conduce căldura să curgă în sens invers.

Conduși de fizicianul Roberto Serra de la Universitatea Federală ABC din Santo André, Brazilia, experimentatorii au manipulat molecule de cloroform, care sunt făcute din atomi de carbon, hidrogen și clor. Oamenii de știință au pregătit moleculele astfel încât temperatura – judecată după probabilitatea ca nucleul unui atom să fie găsit într-o stare de energie mai mare – să fie mai mare pentru nucleul de hidrogen decât pentru carbon. Când stările energetice ale celor două nuclee au fost necorelate, căldura a trecut normal, de la hidrogen fierbinte la carbon rece. Dar atunci când cele două nuclee aveau corelații cuantice suficient de puternice, căldura a trecut înapoi, făcând nucleul fierbinte mai fierbinte și nucleul rece mai rece.

„Nu este că ar contrazice vreo lege a fizicii”, spune Vlatko Vedral, un fizician de la Universitatea din Oxford, care nu este implicat în studiu. A doua lege standard a termodinamicii presupune că nu există astfel de corelații. Când a doua lege este generalizată pentru a ține cont de corelații, legea rămâne fermă. Pe măsură ce căldura curge, corelațiile dintre cele două nuclee se disipează, proces care compensează scăderea entropiei din cauza fluxului de căldură invers.

„Este un experiment foarte frumos”, spune fizicianul Gerardo Adesso de la Universitatea din Nottingham din Anglia. Dar, spune el, fizicienii teoreticieni au prezis deja că un astfel de efect ar putea apărea, așa că „nu este complet surprinzător”.

Oamenii de știință speră să folosească termodinamica ciudată a particulelor cuantice pentru a crea motoare cuantice care ar putea îndeplini sarcini dincolo de îndemâna mașinilor obișnuite (SN: 19.3.16, str. 18), cum ar fi controlul direcției fluxului de căldură la scară mică, spune Serra.