Como humanos, tenemos una idea muy intuitiva de tiempo, y de las diferencias entre pasado, presente y futuro. Pero tal y como apuntan científicos como Edward Feng de la Universidad de California en Berkeley, y Gavin Crooks del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, la ciencia no proporciona una definición clara de tiempo.

“En nuestra vida cotidiana tenemos la sensación de que el tiempo fluye inexorablemente desde el pasado hacia el futuro; el agua fluye colina abajo; las montañas se erosionan; nacemos, crecemos y morimos; anticipamos el futuro pero recordamos el pasado”, escriben los científicos en un reciente estudio de Physical Review Letters. “Casi todas las teorías físicas fundamentales - mecánica clásica, electrodinámica, mecánica cuántica, relatividad general etc. – son simétricas respecto a una inversión temporal.

“La única teoría que toma una dirección preferida en el tiempo es la segunda ley de la termodinámica, la cual asegura que la entropía del universo se incrementa conforme el tiempo fluye hacia el futuro. Esto proporciona una orientación, o flecha del tiempo, y en general se piensa que todas las otras asimetrías, tales como nuestro sentido de que futuro y pasado son distintos, son consecuencia directa de esta flecha termodinámica”.

En su estudio, Feng y Crooks han desarrollado un método par medir con precisión la “asimetría temporal” (lo cual se refiere a nuestra idea intuitiva de tiempo, de que el pasado difiere del futuro, en contraste con la simetría temporal, donde no hay distinción entre pasado y futuro). Comenzaron investigando el incremento de la disipación de energía, o entropía, en distintas ordenaciones.

El método de los científicos para medir la asimetría temporal se explica mejor en el contexto de un experimento. En el mundo macroscópico, donde los vasos de leche se derraman, la asimetría temporal es obvia. Pero en la escapa microscópica, debido a que la cantidad de energía envuelta es tan pequeña, es más difícil decir que la entropía está aumentando, y que el tiempo se mueve hacia adelante y no hacia atrás. De hecho, durante algunos intervalos de tiempo, la entropía podría en realidad decrementarse. Por lo que aunque la entropía global aún se incremente en media, de acuerdo con la segunda ley, la dirección del tiempo no es obvia en cada momento del experimento. Además, los científicos demuestran que incluso un incremento medio de la entropía no asegura necesariamente asimetría temporal, pero puede surgir en una ordenación que parece simétrica temporalmente.

Feng y Crooks querían que su nuevo método de medida explicara cómo avanzaba incluso en puntos cuando la entropía se hacía más pequeña. Para hacer esto, analizaron el plegado y desplegado de una única molécula de ARN acoplada a dos diminutas gotas. Controlando la distancia entre una gota y una trampa láser óptica adyacente, los científicos podían estirar y comprimir la molécula de ARN. Inicialmente, el RNA comienza en equilibrio térmico, pero, como es alternativamente estirado y comprimido, la entropía total del ARN y del baño que lo rodea se incrementa de media.

“Usamos un conjunto, o gran número, de trayectorias de ARN para medir la asimetría temporal”, explicó Feng a PhysOrg.com. “Usando medidas de trabajo tanto para experimentos hacia adelante como hacia atrás, simplemente acoplamos estas medidas en una expresión para A, o asimetría temporal, en el artículo. Suponiendo que conocemos el cambio de energía libre, dando esto el cuadrado de la longitud de la flecha del tiempo”.

Para medir la asimetría temporal en esta ordenación, un observador que mire la trayectoria del ARN en su plegado y desplegado debería ser capaz de decir si la trayectoria se generó estirando o comprimiendo. Los científicos cuantifican esta observación en términos de “divergencia de Jensen-Shannon”, una probabilidad la cual es “0” si estirar y comprimir son idénticos, “1” si son distinguibles en cada momento, y una fracción de uno su se solapan ocasionalmente.

Esta probabilidad, explican Feng y Crooks, puede describir con mayor precisión la asimetría temporal que una simple medida de la entropía media, dado que la entropía media es sensible a eventos inusuales. Por ejemplo, si el ARN se entrelaza, se resiste a ser desplegado cuando las gotas se expanden. Debido a que el ARN entrelazado es separado muy lentamente, el proceso es esencialmente simétrico temporalmente. Los científicos demuestran que un modelo de este proceso tiene una gran disipación media, o incremento de entropía, pero una pequeña asimetría temporal, como se esperaría intuitivamente debido a lo lento del tirón.

“La divergencia Jensen-Shannon es mejor que la disipación media debido a su forma matemática”, dijo Feng. “Esto tiene en cuenta los eventos extraños de una forma distinta, lo cual demostramos con la molécula de ARN que puede quedar atascada”.

Aparte de su interés teórico, esta investigación podría tener otras aplicaciones, tales como estimar las diferencias de energía libre en experimentos de no equilibrio. Los científicos explican que comprender la relación entre la asimetría temporal y la entropía podría también ser importante para el estudio de otros tipos de maquinaria biológica.

“Aunque el tiempo está claro que se mueve hacia adelante en el mundo macroscópico, la dirección del tiempo se hace confusa en la escala de una molécula aislada”, resume Feng. “Nuestra definición empleando la divergencia de Jensen-Shannon destaca esta distinción. Esperamos que esto tenga un impacto cuando los científicos estudien moléculas biológicas y continúen realizando experimentos en moléculas aisladas”.

physorg.com