termodinámica de la información

Un rayo láser impacta en un blanco delgado escondido entre capas de otro material. En milmillonésimas de segundo, la materia se comprime hasta una densidad de 25 gramos por centímetro cúbico, como si un trozo de plomo se volviera más de dos veces más pesado sin moverse de su sitio.

Una computadora normal calcula haciendo circular cargas eléctricas por los cables. ¿Y se puede calcular con calor? Una red de tubos por los que circula agua caliente y fría puede realizar operaciones lógicas simples si se conectan los tubos en el orden adecuado.

En el mundo cuántico, un hecho se vuelve objetivo cuando su valor queda impreso en múltiples fragmentos independientes del entorno, como un anuncio pegado en cientos de tablones por toda la ciudad. Cada copia por sí sola no añade información nueva, pero cambia las reglas del juego para quien intenta borrar esa información.

El té caliente se enfría y el helado se derrite: el calor siempre pasa de lo cálido a lo frío, y esta ley parecía inquebrantable. Pero en el mundo cuántico, incluso las reglas habituales pueden reescribirse.

Dentro de cada célula bulle su propia logística: diminutos motores proteicos, como mensajeros, transportan cargas a lo largo de una red de microtúbulos. Uno de los principales trabajadores es la cinesina, que avanza utilizando la energía del ATP (la principal moneda energética de la célula).

Las lentes y espejos de vidrio parecen perfectamente lisos e inmóviles. Pero en su interior hierve una vida oculta. Los átomos en un material amorfo (una sustancia sin red cristalina) están empaquetados de manera desordenada, y este desorden crea un paisaje energético complejo, como un país montañoso con innumerables colinas y valles.

Una corriente oceánica de cientos de kilómetros de ancho vive su propia vida, alimentándose de la energía de diminutos remolinos. En la atmósfera ocurre algo parecido: los pequeños torbellinos ceden su fuerza a enormes corrientes de aire. Este proceso, la cascada inversa de energía, se conoce desde hace tiempo.

Imaginen el agua como un salón de baile, donde cada molécula es un bailarín que entabla constantemente fugaces alianzas. Estos enlaces de hidrógeno generan patrones locales: unos recuerdan un vals remilgado —una red ordenada con vacíos (estructura de baja densidad)—, otros un frenético jitterbug, donde las parejas se apiñan en caóticos racimos densos.

La vieja pregunta sobre el demonio de Maxwell —si un ser inteligente puede burlar la segunda ley de la termodinámica y bombear calor del frío al caliente— adquiere un nuevo significado en el mundo cuántico.

Un secador de pelo potente que no sopla aire caliente, sino plasma incandescente: así son los túneles aerodinámicos de plasma. Se utilizan para probar en la Tierra cómo una nave espacial entrará en la atmósfera.

Si escribes la receta de una proteína en una hoja y la envías a la imprenta, una errata en una sola letra puede arruinar toda la tirada. La célula se enfrenta al mismo problema cuando copia su ADN, una larga instrucción compuesta por cuatro "letras" químicas.

Una tetera se enfría sobre la mesa. El calor se escapa al aire y se desperdicia. Sin embargo, se podría exprimir un poco de electricidad de ese calor. Los dispositivos que logran esto se llaman generadores termomagnéticos. En su interior no hay pistones ni turbinas, solo un material que cambia sus propiedades magnéticas al calentarse y enfriarse.

El plasma cósmico no es un gas tranquilo, sino una sopa hirviendo de partículas cargadas atravesada por campos magnéticos. Estos campos se comportan como gomas elásticas tensadas: a veces se rompen y de inmediato se vuelven a unir, pero de otra manera.

La superficie de Europa es una armadura de hielo que es continuamente bombardeada por partículas cargadas de la magnetosfera de Júpiter. Los electrones chocan contra la red cristalina del hielo, pierden energía y desencadenan reacciones químicas. Antes no existía una herramienta que mostrara cuán profundamente perfora este bombardeo el hielo.

El agua descompuesta por electricidad en hidrógeno y oxígeno es un viejo sueño de combustible limpio. Pero en el camino se interponen diminutas burbujas de gas: recubren los electrodos como la espuma en las paredes de un vaso de refresco y dificultan que la corriente haga su trabajo.

Los sistemas físicos saben calcular. Si se construye un paisaje de colinas y valles de modo que el punto más bajo corresponda a la respuesta, el sistema rueda hasta allí solo, como una canica. El problema es que en el fondo suele haber una zona plana y la canica tarda mucho en quedarse quieta. Los autores del trabajo proponen empujar la canica hacia el lugar correcto antes de empezar.

Una olla de agua en el fuego es solo agua, pero dentro de cada molécula hay un baile continuo. Los átomos de hidrógeno y oxígeno vibran, incluso en el cero absoluto, porque así es el mundo cuántico. Estas vibraciones cambian cuánto calor almacena el agua y cómo fluye.

En el siglo XIX, James Clerk Maxwell imaginó un pequeño demonio. Este conoce la velocidad de cada molécula de gas y abre una puerta: las rápidas a la izquierda, las lentas a la derecha. Así, sin gastar energía, surge una diferencia de temperatura, lo que parece violar las leyes de la física.

Borrar un bit de información no es gratis. En 1961, Rolf Landauer demostró que a temperatura ambiente se necesitan al menos unos 3 zeptojulios de energía: una cantidad diminuta, pero distinta de cero. Este límite se consideraba tan sólido como la ley de conservación de la energía. Pero, ¿y si podemos "engañar" un poco al sistema?

Las galaxias se alejan, pero la velocidad de expansión, medida por el resplandor posterior al Big Bang y por las explosiones de supernovas, no coincide; este problema se conoce como tensión de Hubble. Como dos bailarines que pierden el ritmo porque no se sienten el uno al otro.

Un termómetro sumergido en una muestra normalmente solo informa de la temperatura. Pero si la temperatura oscila ligeramente y la muestra responde con retraso, en esa respuesta se esconde algo más: la parte imaginaria de la capacidad calorífica, que, según se ha descubierto, sabe escuchar el eco cuántico del tiempo.

Dos telescopios miran al mismo universo y ven velocidades diferentes. Las mediciones locales de supernovas dan 73.04 ± 1.04 km/s/Mpc, mientras que los datos de la radiación de fondo de microondas en el modelo estándar predicen 67.36 ± 0.54.