viernes, 12 de enero de 2018

Mensajes amables de fin de semana: logran, por primera vez, que el tiempo fluya hacia atrás



Estimad@s Clientes y/o amantes del LEAN:

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
















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