17/Sep/08

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Los físicos investigan cómo avanza el tiempo

Como humanos, tenemos un concepto muy intuitivo del tiempo, y de las diferencias entre pasado, presente y futuro. Pero como señalan los científicos Edward Feng de la Universidad de California, Berkeley, y Gavin Crooks del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, la ciencia no provee una definición clara del tiempo

"En nuestra vida diaria tenemos la sensación de que el tiempo fluye inexorablemente desde el pasado hacia el futuro; el agua fluye cuesta abajo; las montañas se erosionan; nacemos, nos hacemos viejos, y morimos; anticipamos el futuro pero recordamos el pasado", escriben los científicos en un reciente estudio en Physical Review Letters. "Sin embargo, casi todas las teorías fundamentales de la física -la mecánica clásica, la electrodinámica, la mecánica cuántica la relatividad general, etcétera- son simétricas con respecto a la reversión del tiempo.

"La única teoría fundamental que escoge una dirección de tiempo preferida es la segunda ley de la termodinámica, que afirma que la entropía del universo aumenta a medida que el tiempo fluye hacia el futuro. Esto provee de una orientación, o flecha del tiempo, y en general se cree que todas las otras asimetrías del tiempo, como son diferentes nuestras sensaciones del futuro y del pasado, son una consecuencia directa de esta flecha termodinámica".

En su estudio, Feng y Crooks han desarrollado un método para medir con exactitud la "asimetría temporal" (que se refiere a nuestro concepto intuitivo del tiempo, que el pasado es diferente del futuro, en contraste con la simetría temporal, donde no hay distinción entre pasado y futuro). Empezaron por investigar el incremento de la disipación de energía, o entropía, en varios arreglos.

El método científico para medir la asimetría temporal es mejor explicado en el contexto de un experimento. En el mundo macroscópico, donde se derraman las copas de leche, la asimetría temporal es obvia. Pero a una escala microscópica, porque la cantidad de energía involucrada es muy pequeña, es más difícil distinguir si la entropía está aumentando, y que el tiempo se mueve hacia adelante y no hacia atrás. De hecho, durante algunos intervalos la entropía podría realmente disminuir. De modo que aunque en conjunto y en promedio la entropía todavía está aumentando, de acuerdo con la segunda ley, la dirección del tiempo no es obvia en cada momento del experimento. Más aun, los científicos muestran que incluso un aumento promedio de la entropía no necesariamente asegura la asimetría temporal, pero puede surgir en un arreglo que aparece con simetría temporal.

Feng y Crooks querían su nuevo método de medición para explicar cómo puede avanzar el tiempo incluso en puntos donde la entropía está disminuyendo. Para hacerlo, analizaron el doblado y desdoblado de una única molécula ARN conectada a dos cuentas diminutas. Al controlar la distancia entre una cuenta y una trampa óptica láser adyacente, los científicos pudieron estirar y comprimir la molécula ARN. Inicialmente, el ARN empieza con equilibrio térmico, pero mientras se estira y se comprime alternativamente, la entropía total del ARN y el medio circundante aumenta en término medio.

"Usamos un conjunto, o una gran cantidad, de trayectorias ARN para medir la asimetría temporal", explicó Feng a PhysOrg.com. "Usando mediciones de trabajo tanto para experimentos hacia adelante como hacia atrás, simplemente pusimos estas mediciones en una expresión de A, o asimetría temporal, en el trabajo. Suponiendo que conocemos el cambio de energía libre, esto da el cuadrado de la longitud de la flecha del tiempo".

Para medir la asimetría temporal en este arreglo, un observador que observa la trayectoria del ARN que se dobla y desdobla, debería poder distinguir si la trayectoria fue generada por estiramiento o compresión. Los científicos cuantifican esta observación en términos de la "divergencia Jensen-Shannon", una probabilidad que da un "0" si el estiramiento y la compresión son idénticos, y "1" si son distinguibles en cada momento, y alguna fracción de uno si se solapan ocasionalmente.

Esta probabilidad, explican Feng y Crooks, puede describir con más exactitud la asimetría temporal que una simple medición de la entropía media, ya que la entropía media es sensible a los eventos anormales. Por ejemplo, si el ARN se enreda, se resiste a ser desdoblado cuando las cuentas se expanden. Porque el ARN enredado se separa muy lentamente, el proceso es esencialmente de simetría temporal. Los científicos muestran que un modelo de este proceso tiene una gran disipación promedio, o incremento de entropía, pero una asimetría temporal pequeña, como uno espera intuitivamente debido a la lenta tracción.

"La divergencia Jensen-Shannon es mejor que la disipación media por su forma matemática", dijo Feng. "Explica los eventos raros de una manera diferente, que mostramos con la molécula de ARN que puede atorarse".

Además de interés teórico, esta investigación podría tener otras aplicaciones, como calcular las diferencias de energía libre en los experimentos de no-equilibrio. Los científicos explican que comprender la relación entre la asimetría temporal y la entropía también puede ser importante para estudiar motores moleculares y otras clases de maquinaria biológica.

"Mientras el tiempo avanza descaradamente en el mundo macroscópico, la dirección del tiempo se vuelve confusa a escala de una única molécula", resumió Feng. "Nuestra definición que emplea la divergencia Jensen-Shannon resalta esta diferencia. Esperamos que esto tenga impacto cuando los científicos estudien moléculas biológicas y sigan llevando a cabo experimentos de molécula única".

Fuente: PhysOrg. Aportado por Graciela Lorenzo Tillard