El inesperado efecto de los relojes cuánticos: aumentan la entropía

La termodinámica es, probablemente, una de las ramas de la física que más curiosidad ha causado a los investigadores a lo largo del tiempo; esta es la encargada, ni más ni menos, de estudiar la interacción entre el calor y diferentes manifestaciones de la energía, describiendo los estados de equilibrio termodinámico a niveles macro.

En la segunda ley de la termodinámica –la que interesa para este artículo– se afirma que la entropía del universo siempre tiende a aumentar. Ahora bien, ¿qué significa la entropía y a qué hace referencia cuando se asegura que "tiende a aumentar"?

En un artículo reciente de Computer Hoy, se hace un repaso muy didáctico a través de la historia de este curioso concepto, la entropía. Según las definiciones físicas más básicas ofrecidas por el físico Rudolf Clausius, se podría definir como una transformación que implica que la entropía nunca disminuye, sino que aumenta hasta un equilibrio en el que esta es máxima. 

Aparte, la entropía está directamente relacionada con el tiempo, a diferencia de otras leyes de la termodinámica que estudiaban la temperatura, el volumen, la masa o la presión de los elementos como gases y líquidos, de manera puramente experimental. Por ello, la entropía es casi única, ya que, en el pasado esta era baja, mientras que cuando se avanza hacia el futuro, esta aumenta. Esto se conoce como "flecha del tiempo".

La entropía y las habitaciones que se llenan de humo

Clausius explicó en su momento que no existen procesos espontáneos relativos únicamente a la transferencia de calor de un cuerpo frío a otro caliente. Por ejemplo, el hecho de que un cubito de hielo se derrita no es reversible, a menos que este proceso sea forzado mediante congeladores, claro.

Así, una metáfora para explicar la entropía de manera relativamente sencilla sería el de las habitaciones que se llenan de humo. Por un lado, existe una habitación sin humo; por el otro, una que está completamente llena de humo, y en medio, una puerta cerrada que las conecta.

Como es lógico, el estado más probable –conocido en física como macroestado– es que, al abrir la puerta, el humo inunden todas las estancias. Sin embargo, considerando partículas separadas de humo, todas ellas serán igual de probables –microestados–. Así, la definición de entropía no hace referencia al desorden o al caos, sino a a probabilidad de que estas partículas adopten alguna de las muchas configuraciones establecidas por los macroestados.

Por ello, la conceptualización más acertada de entropía sería la magnitud que se encarga de medir el número de microestados probables en un mismo macroestado, en el interior de un sistema aislado. Aun así, ¿qué tiene la entropía que ver con el tiempo?

A relojes más precisos, mayor entropía

En un estudio reciente, publicado en Physical Review X, un equipo de físicos ha utilizado un reloj simplificado, compuesto por una membrana de 50 nanómetros de espesos y 1,5 milímetros de largo, estirada entre 2 postes, y con vibraciones de pulsos de electricidad.

Cada movimiento hacia arriba o abajo hacía referencia a un tic del reloj. Así, las señales eléctricas con más potencia provocaban que el reloj marcara con más regularidad y precisión; sin embargo, con ello, se agregaba más calor y, por ende, más entropía (recuerda el cubito de hilo). De esta forma, aumentar la precisión de un reloj de tal tamaño provoca que la entropía se incremente, un coste que hay que pagar.

“Si quieres que tu reloj sea más preciso, tienes que pagar por ello. (…) Cada vez que medimos el tiempo, estamos aumentando la entropía del universo”, ha asegurado Natalia Ares, física de la Universidad de Oxford (Inglaterra) y coautora del estudio, a WordsSideKick.com. 

Es decir, que tal y como han explicado los investigadores, existe una relación lineal entre la precisión y la entropía, dentro siempre de los órdenes de magnitud de los límites teóricos. Por todo ello, la entropía sigue fascinando a la física, aunque cada vez se pueda entender con más detalle por qué este fenómeno se da en el universo.

"No lo sabemos con certeza todavía, pero lo que hemos encontrado, tanto para nuestro reloj como para los relojes cuánticos, es que existe una relación proporcional entre la precisión y la entropía", ha añadido Ares. "Puede que no siempre sea una relación lineal para otros relojes, pero parece que la precisión está limitada por las leyes de la termodinámica".

Este artículo fue publicado en Business Insider España por Abraham Andreu.