La flecha del tiempo sería un espejismo: se puede trascender a nivel cuántico

De la misma forma que las partículas elementales pueden estar en dos sitios a la vez, pasado, presente y futuro pueden confundirse también en el mundo cuántico y ocurrir simultáneamente. Esta reversión del tiempo cuántico cuestiona la consistencia de la flecha del tiempo: podría ser un espejismo.

Dos grupos de investigación diferentes han conseguido que un fotón viaje hacia adelante y hacia atrás en el tiempo simultáneamente. Este experimento, que cuestiona la consistencia de la dirección o flecha del tiempo, podría tener implicaciones para el diseño de ordenadores cuánticos y ayudar también a desarrollar una teoría de la gravedad cuántica.

Observan por primera vez cómo se forma la flecha del tiempo

A escala humana, el tiempo solo transcurre en una dirección, del pasado al presente y del presente al futuro, en un proceso irreversible: nunca podremos deshacer un huevo que acabamos de batir y volver a ponerlo intacto dentro de su cáscara, como si nada hubiera pasado.

En la física cuántica, que describe lo que ocurre en los niveles más pequeños de la materia, en partículas y en distancias que son al menos 1.000 millones de veces más pequeñas que un metro, las cosas son muy diferentes y extrañas para nuestra comprensión.

Almorzar y cenar a la vez

A esos niveles elementales, no existe una distinción clara entre pasado, presente y el futuro, y dos eventos diferentes pueden al mismo tiempo ser simultáneos: dicho a nuestra escala, es como si pudiéramos almorzar y cenar al mismo tiempo.

Además, en ese mundo que roza lo real y lo imaginario, pero sobre el que hemos construido por ejemplo toda la electrónica, se produce otro fenómeno extraño a nuestra comprensión: la superposición de estados.

La superposición cuántica ocurre en la naturaleza cuando una partícula elemental posee simultáneamente dos o más valores de una cantidad observable, algo inimaginable en el mundo físico ordinario.

Eso significa que, por ejemplo, los fotones y otras partículas, como los electrones o los neutrones, pueden permanecer en dos lugares diferentes al mismo tiempo. Solo cuando las observamos (medimos) salen de ese limbo y podemos hacerles la foto.

Superposición de procesos

Una nueva investigación de la Universidad de Oxford ha ido ahora un poco más lejos en este galimatías y ha elaborado un marco matemático que incluye en el misterio cuántico la superposición de procesos, una especie de equivalente dinámico de la asumida superposición de estados.

Este modelo describe esos procesos cuánticos avanzando y retrocediendo a través del tiempo, es decir, basculando (como el péndulo de Foucault) hacia el pasado y el presente o el futuro: provoca lo que los autores de esta nueva investigación llaman una "inversión cuántica del tiempo".

La superposición de estados dio origen a una metáfora según la cual el gato más famoso de la ciencia, conocido como gato de Schrödinger, está encerrado en una caja que contiene un recipiente con veneno y otro con leche: según este ejercicio imaginario, es el dueño el que decide la suerte del gato (vivo o muerto, según lo que haya comido) cuando abre la caja a ver lo que ha pasado.

La superposición de procesos es algo equivalente a lo que pasa con el gato de Schrödinger, señalan estos investigadores, aunque en vez de dividir la realidad en dos posibles resultados superpuestos y contradictorios (gato vivo o muerto), lo que hace es trasladar esa superposición a la dirección del tiempo: pasado, presente y futuro se confunden también en un proceso cuántico hasta que alguien interviene.

Marco matemático comprobado

En un nuevo artículo, publicado ahora en ArXiv, ambos investigadores, junto a otros más, aseguran haber demostrado experimentalmente que una inversión del tiempo cuántico es posible: jugando con fotones, comprobaron que la luz viaja simultáneamente hacia adelante y hacia atrás en el tiempo.

Según este experimento, se trata de una superposición de procesos que ocurre en una configuración fotónica experimental en la que un mismo fotón recorre dos caminos diferentes a la vez a través de un cristal.

Retrocediendo en el tiempo

Es decir, cuando penetra en la configuración fotónica, el mismo fotón se superpone en dos estados: uno sigue un trayecto esperado, pero el otro, debido a la polarización de la luz, actúa como si retrocediera en el tiempo, aseguran los investigadores.

Además, durante el experimento, es imposible determinar por qué camino pasan los fotones, porque en todo momento están en una superposición de los dos caminos (procesos): es decir, recorren los dos trayectos a la vez.

Al final, los investigadores pudieron recuperar al fotón superpuesto y hacerle la foto: de esta forma pudieron demostrar estadísticamente que había pasado por una superposición de dos procesos temporales. La magia cuántica había funcionado una vez más en la historia de la Física.

Trascender la flecha del tiempo

Este sorprendente desarrollo no quedó aquí, porque un segundo equipo de la Universidad de Viena, dirigido por Teodor Strömberg, realizó experimentos similares y demostró por segunda vez la inversión del tiempo cuántico, según explican en otro artículo publicado también en ArXiv.

Según ambas investigaciones, la superposición de estados temporales no es algo meramente especulativo, sino que tendrá aplicaciones para los protocolos de información cuántica: podrán incorporar una flecha del tiempo en estado de superposición cuántica y trascender los procesos de gestión de la información en los que el tiempo fluye solo en una dirección definida.

También podría conducir a una nueva teoría de la gravedad cuántica, que finalmente lograría unificar la mecánica cuántica con la relatividad general, consideran los investigadores.

¿Espuma cuántica?

Ahora bien, eso no impide que ambos experimentos nos evoquen recuerdos de ficción como los que plantea Michael Crichton en su novela Timeline (llevada al cine con la película Rescate en el tiempo): oscila también entre dos momentos históricos (la Edad Media y contemporánea) que son simultáneos para el espectador, tal como ocurre en la configuración fotónica de los últimos experimentos.

Estas experimentos evocan asimismo lo que propuso el afamado físico teórico John Wheeler en 1955 y recoge también Crichton: en realidad, el espacio-tiempo estaría formado por una especie de espuma cuántica que otorgaría a la flecha del tiempo la superposición de pasado, presente y futuro que ahora han comprobado con fotones unos científicos británicos y austriacos.

Referencias

Experimental demonstration of input-output indefiniteness in a single quantum device. Yu Guo et al. arXiv:2210.17046v1.

Experimental superposition of time directions. Teodor Strömberg et al. arXiv:2211.01283v1

Quantum operations with indefinite time direction. Giulio Chiribella & Zixuan Liu. Communications Physics, volume 5, Article number: 190 (2022). DOI:https://doi.org/10.1038/s42005-022-00967-3