Cómo deshacer temporalmente el caos interminable del universo con cloroformo

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Las cosas se extienden. Se enfrían, se desintegran y mueren. El desorden matará al universo. El caos aumenta Está en todas partes, y está creciendo. Los científicos saben esto.

Y, sin embargo, los investigadores han demostrado que hay ciertas circunstancias en las que el trastorno se recupera brevemente. En un artículo publicado el 9 de noviembre en la revista en línea preprint arXiv, los investigadores demostraron que el calor podría fluir brevemente de un átomo frío a uno caliente dentro de una molécula de cloroformo, revirtiendo localmente el flujo normal del universo.

¿Qué significa que el desorden gobierne todo?

Revuelva la leche en el café, y la mezcla marrón nunca se separará sola en sus fluidos constituyentes. Construye un castillo de arena en la playa, y en una o dos horas desaparecerá bajo las olas. Vivir una vida larga, y eventualmente fallarán los sistemas internos ordenados del cuerpo.

Este aumento constante de la entropía, o la tendencia a desordenar las cosas ordenadas, no es solo un hábito del universo; es una de las reglas fundamentales del mundo conocido, consagrado como la segunda ley de la termodinámica. Una de las demostraciones más básicas del desorden dominante es el calor. Deje caer un cubo de hielo en agua hirviendo, y la mota de calor en el cubo no aumentará el calor del agua. En cambio, el calor fluirá del agua caliente al hielo frío. El hielo se derretirá y el agua se enfriará. [Twisted Physics: 7 Mind-Blowing Findings]

Por supuesto, el orden puede construirse a partir del desorden. Los acondicionadores de aire enfrían un departamento en un día caluroso. Trozos de silicona, aluminio y arena suelta surgieron de las minas y se transformaron en el microchip, el chasis del dispositivo y la pantalla utilizada para leer este artículo. Las burbujas de aceite en los baños calientes de la Tierra primitiva dieron lugar al espectáculo completo de la vida orgánica.

Pero en cada uno de estos llamados sistemas abiertos, alguna fuente externa de energía hizo que el acto local de organización sucediera. Una bomba extrajo energía de una planta eléctrica para expulsar el aire caliente del exterior, los humanos mezclaban los alimentos en combustible corporal que utilizaban para extraer recursos de las minas y remodelarlos, el sol bañaba el planeta con calor vivificante mientras ardía lentamente a través de su reservas de combustible, que algún día se agotará y se disipará. Vea el llamado sistema cerrado en su totalidad, sin que se bombee energía, y la tendencia sigue hacia la desorganización.

Romper la entropía?

Pero, ¿hay algún caso en que esto no sea cierto? La respuesta corta: cuando las condiciones iniciales del sistema cerrado son extrañas, cuánticamente mecánicamente raras, entonces la situación se puede revertir.

La respuesta completa: cuando dos núcleos atómicos dentro de una molécula de cloroformo tienen el mismo giro, pero diferentes temperaturas, el calor puede fluir del núcleo más frío al núcleo más caliente.

Spin es una característica mecánica cuántica de las partículas atómicas, medida en múltiplos de la mitad. Dos partículas en un sistema pueden correlacionarse, lo que significa que comparten información física, una versión más estrecha del efecto que se produce durante el enredo cuántico, al alinear sus espines.

En la configuración experimental del nuevo estudio, los investigadores observaron dos tipos de cloroformo, una molécula compuesta de un núcleo de carbono unido a un núcleo de hidrógeno y tres núcleos de cloro. Los investigadores utilizaron una técnica llamada resonancia magnética nuclear.

La primera muestra de cloroformo tenía átomos de hidrógeno y de carbono con espines no correlacionados, pero el hidrógeno era más caliente que el carbono. En muy poco tiempo, el calor fluyó del hidrógeno al carbono, como lo predice la termodinámica.

Pero cuando los giros de hidrógeno y carbono se correlacionaron, el calor fluyó en la dirección opuesta, desde el carbono frío al hidrógeno caliente. En efecto, escribieron los investigadores, "revirtieron la flecha del tiempo", creando un sistema cerrado en el que la entropía disminuye de forma espontánea.

Una figura del artículo muestra las diferencias en el flujo de energía.

            Crédito: arXiv

"Observamos una corriente de calor espontánea desde el giro frío al caliente", escribieron los autores, "y muestran que este proceso es posible gracias a una disminución de la información mutua entre los giros".

En otras palabras, el calor fluye contra la corriente normal de entropía, pero la correlación entre los átomos que hace posible ese flujo paradójico se rompe a medida que ocurre el flujo inverso.

¿Viola esto la segunda ley de la termodinámica?

El flujo de calor contrario a la intuición en este experimento viola la segunda ley, como se dice clásicamente: el calor siempre fluye de un lugar cálido a uno fresco, según esa formulación.

Pero los científicos saben desde hace mucho tiempo que el mundo es más complicado que eso. Una declaración más completa de la segunda ley es la siguiente: el universo conocido está muy bien ordenado, es muy probable que tienda al desorden. Cuando brilla un sol brillante y masivo en un vacío oscuro, el universo es muy desigual. Esa diferencia en energía y masa es un signo de que algo inusual está sucediendo: un desequilibrio ha aparecido que la segunda ley buscará aplastar.

En otras palabras, el universo ya tiene un desorden tan bajo que la tendencia es hacia más desorden, pero un sistema sin esa precondición no tendería necesariamente hacia la entropía. Un artículo de 2008 arXiv que examina cómo las correlaciones cuánticas complican la entropía cita al físico del siglo XIX Ludwig Boltzmann, quien afirmó que "el universo, considerado como un sistema mecánico … comenzó desde un estado muy improbable, y todavía está en un estado muy improbable".

Pero la relación entre dos átomos correlacionados no es una característica típica de ese entorno "improbable" de baja entropía, escribieron los investigadores de 2008, y opera de acuerdo con un conjunto inusual de reglas sin violar la segunda ley. Sin embargo, esas reglas son temporales por naturaleza. Como demuestra este experimento reciente, la transferencia que hace posible la transferencia de calor inversa es destruida incluso cuando ocurre.

"La flecha del tiempo", escribieron los investigadores, lo que significa que el flujo de entropía normal y unidireccional "no es un concepto absoluto sino relativo que depende de la elección de las condiciones iniciales".

Y con esta comprensión más matizada de la segunda ley intacta, el universo aún tiende al caos. Las correlaciones entre las partículas son temporales, escribieron los experimentadores, y se disipan en milisegundos incluso cuando permiten estos flujos de calor inusuales. De esta manera, la muerte por calor del universo todavía llega.

Publicado originalmente en Live Science.

        

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