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29 julio 2021

Relojes más precisos, máquinas más entrópicas

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La carrera tecnológica por conseguir relojes más precisos ha chocado con las leyes fundamentales de la física. Un reciente experimento llevado a cabo por físicos de la universidad de Oxford ha permitido demostrar que cuanto más preciso es un reloj, más entropía genera. Anteriormente esto se había demostrado para relojes cuánticos, pero lo relevante del nuevo experimento es que ha constatado que esta relación entre precisión y entropía también se manifiesta en los relojes clásicos que empleamos en nuestro mundo macroscópico; desde los relojes de pulsera hasta los relojes atómicos que equipan los satélite GPS.

Como la entropía es una medida del desorden y del caos, esta investigación ha demostrado que medir el tiempo con alta precisión tiene un precio: aumentar el caos en el universo. Y como señala con ironía una de las autoras del estudio, Julia Ares, “quizás deberíamos de dejar de medir el tiempo”, pues aumentar la entropía del universo lo acerca a su final, aunque la propia autora aclara que el aumento de entropía es tan pequeño que “no debemos preocuparnos”. Desde el punto de vista más filosófico esto podría interpretarse como una paradoja: si medir el tiempo con más precisión nos acerca al final, ¿quiere decir que esto hace que el tiempo pase más rápido?

Juego 1: Las flechas del tiempo

Viaja desde el reloj que marca la salida hasta la celda final siguiendo las siguientes reglas: en cada movimiento puedes desplazarte las casillas que desees en línea recta siguiendo el sentido que indica la aguja del reloj. No puedes detenerte la en celda central ni pasar sobre ella y no puedes aterrizar sobre un reloj cuya aguja indique la dirección contraria al de partida. Por ejemplo, en el primer movimiento solo puedes avanzar dos o tres relojes. Si avanzas más alcanzas el centro y si avanzas solo caes es un reloj que te obliga a desplazarte en la dirección contraria.

Máquinas de generar entropía

Teniendo en cuenta la paradoja de los relojes, ¿tiene sentido construir máquinas para medir el tiempo cada vez más precisas que consuman cada vez más energía? ¿Hasta qué punto las leyes de la física permiten establecer una medición precisa del paso del tiempo?

En el caso concreto de un reloj, este funciona en un sentido preferente. Imaginemos un reloj de agujas: su funcionamiento se basa en que las agujas avancen a un ritmo regular. Para garantizar este avance y evitar que la aguja retroceda hay que forzar al sistema a ir siempre hacia delante, lo que se logra aportando energía, parte de la cual se pierde hacia el exterior. Si el reloj no produjese entropía, la oscilación de la aguja podría ir tanto para adelante como para atrás. Atendiendo a lo anterior, la precisión de un reloj depende de minimizar las fluctuaciones del mecanismo —por decirlo de algún modo, que en un momento dado este pueda ir hacia atrás y que la aguja no avance—. Y esto se logra aumentando la complejidad del mecanismo; y con ello su contribución entrópica. 

Y si se piensa, esta demostración de la relación entre precisión relojera y entropía tiene lógica si se tiene en cuenta que dicha magnitud está directamente vinculada con el paso del tiempo. De hecho, la entropía es denominada (y entendida) a menudo como la flecha del tiempo, ya que el grado de desorden de un sistema tiende a aumentar conforme avanza el tiempo. Esto explica que la inmensa mayoría de los procesos, desde cascar un huevo hasta mezclar dos reactivos en un laboratorio para producir una reacción química, la emisión de radiactividad o inocular una vacuna, no se puedan deshacer, no se pueda volver atrás. Y lo mismo pasa con la energía perdida en forma de calor por una máquina; que no puede ser reabsorbida por ésta. De ahí que la entropía indique en qué sentido avanza el tiempo. Eso plantea la premisa de que al controlar la entropía se podría controlar la dirección del tiempo, como hacían los protagonistas de la película Tenet, pero eso supondría invertir las leyes del universo.

Juego 2: Las horas primas son las más entrópicas

Los números primos también pueden entenderse como entrópicos, ya que constituyen un conjunto desordenado o caótico. No se puede saber cuándo aparecerá el siguiente número primo. Y no solo eso, sino que en la incesante búsqueda científica números primos cada vez mayores se emplean ordenadores cada vez más potentes y que por tanto liberan mucha entropía.

El objetivo ahora es viajar desde el reloj (START) de inicio hasta el final (FINISH) con tres condiciones:

  • En cada movimiento hay que pasar de un reloj a otro de una casilla adyacente. 
  • El reloj debe marcar siempre una hora “prima” (el número de cuatro cifras reflejado en la pantalla debe ser primo). 
  • No se puede retroceder en el tiempo. Siempre hay que avanzar a un reloj que marque una hora más avanzada.

BBVA-OpenMind-Pasatiempos-Relojes entropicos 2Un universo desordenado

Más sorprendente es el hecho de que la entropía también determina cómo evoluciona el universo, cuya imparable expansión es asimismo consecuencia del aumento de entropía. Si se quiere ver desde el ángulo contrario: conforme el universo se expande, su grado de desorden aumenta. Al expandirse, cada vez hay más espacio para que la materia que lo llena se descoloque o se disperse. 

Y esta expansión entrópica del universo, combinada con la contribución entrópica de los relojes, puede llegar a condicionar los viajes espaciales. El Deep Space Atomic Clock es un reloj atómico de la NASA lanzado al espacio a bordo de un satélite en 2019 y que, tal y como se ha dado a conocer hace escasas fechas, ha demostrado ser al menos 10 veces más estable que los relojes atómicos empleados en los satélites del sistema GPS y que aquellos que permiten la navegación espacial. 

Actualmente el seguimiento de la posición de vehículos espaciales se realiza emitiendo una señal de radio desde Tierra que rebota en la nave vuelve. El lapso empleado en este recorrido, medido con relojes atómicos de alta precisión, permite conocer su posición. El propósito del nuevo reloj es que gracias a su enorme estabilidad pueda viajar a bordo de una nave espacial de tal forma que, al medir el tiempo que tarda en llegar la señal emitida desde la Tierra (y otras desde otras fuentes como satélites), se pueda conocer su posición precisa en el espacio. 

La cuestión es que al recurrir a relojes cada vez más precisos, se está también contribuyendo cada vez más al aumento de la entropía del universo y con ello acelerando su expansión; lo que limitaría la precisión del sistema de navegación. Más aún, cabe plantearse si al aumentar la entropía del sistema también estamos favoreciendo el paso del tiempo —que este fluya más deprisa—, lo que de nuevo impondría un límite fundamental a nuestra capacidad para medir el tiempo.

 

Soluciones

 


Miguel Barral

@migbarral

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