La producción de entropía, lo que significa aumentar el grado de desorden en un sistema, Es una tendencia inexorable en el mundo macroscópico debido a la segunda ley de la termodinámica. Esto hace que los procesos descritos por la física clásica sean irreversibles y, por extensión, impone una dirección al flujo del tiempo. Sin embargo, la tendencia no se aplica necesariamente en el mundo microscópico, que se rige por la mecánica cuántica. Las leyes de la física cuántica son reversibles en el tiempo, así que en el mundo microscópico, no hay una dirección preferencial para el flujo de los fenómenos.

Uno de los objetivos más importantes de la investigación científica contemporánea es saber exactamente dónde ocurre la transición del mundo cuántico al mundo clásico y por qué ocurre; en otras palabras, descubrir qué hace que predomine la producción de entropía. Este objetivo explica el interés actual por estudiar sistemas mesoscópicos, que no son tan pequeños como los átomos individuales pero, sin embargo, muestran un comportamiento cuántico bien definido.

Un nuevo estudio experimental realizado por investigadores de Brasil y otros lugares ofrece una contribución importante a este campo. Recientemente se ha publicado un artículo al respecto en Cartas de revisión física .

"Estudiamos dos sistemas:un condensado de Bose-Einstein con 100, 000 átomos confinados en una cavidad y una cavidad optomecánica que confina la luz entre dos espejos, "Gabriel Teixeira Landi, profesor del Instituto de Física de la Universidad de São Paulo (IF-USP), dicho.

Landi fue uno de los científicos responsables de desarrollar un modelo teórico que correlaciona la producción de entropía con cantidades mensurables para ambos experimentos. La investigación cuenta con el apoyo de la Fundación de Investigaciones de São Paulo — FAPESP. El condensado de Bose-Einstein se estudió en el Instituto Federal Suizo de Tecnología (ETH Zurich), y el dispositivo de optomecánica de cavidad se estudió en la Universidad de Viena en Austria.

A menudo llamado el "quinto estado de la materia" (los otros cuatro son sólidos, líquidos gases y plasma), Los condensados ​​de Bose-Einstein se obtienen cuando un grupo de átomos se enfría casi hasta el cero absoluto. Bajo estas condiciones, las partículas ya no tienen la energía libre para moverse entre sí, y algunos de ellos entran en los mismos estados cuánticos, volviéndose indistinguibles unos de otros. Los átomos luego obedecen a las llamadas estadísticas de Bose-Einstein, que generalmente se aplican a partículas idénticas. En un condensado de Bose-Einstein, todo el grupo de átomos se comporta como una sola partícula.

Una cavidad optomecánica es básicamente una trampa de luz. En este caso particular, uno de los espejos consistía en una membrana nanométrica capaz de vibrar mecánicamente. Por lo tanto, el experimento involucró interacciones entre la luz y la vibración mecánica. En ambos sistemas, había dos reservorios, uno caliente y el otro frío, para que el calor pudiera fluir de uno a otro.

"Ambas situaciones mostraron firmas de algo irreversible y, por lo tanto, demostraron un aumento en la entropía. Además, exhibieron irreversibilidad como consecuencia de efectos cuánticos, ", Dijo Landi." Los experimentos permitieron distinguir claramente los efectos clásicos de las fluctuaciones cuánticas ".

La principal dificultad en esta línea de investigación es que la producción de entropía no se puede medir directamente. En los experimentos en cuestión, por lo tanto, los científicos tuvieron que construir una relación teórica entre la producción de entropía y otros fenómenos que señalan irreversibilidad y son directamente mensurables. En ambos casos, eligieron medir los fotones que se escapan de las cavidades, haber utilizado deliberadamente espejos semitransparentes para permitir que se escape algo de luz.

Midieron el número medio de fotones dentro de las cavidades y las variaciones mecánicas en el caso del espejo vibrante.

"Las fluctuaciones cuánticas contribuyeron a un aumento de la irreversibilidad en ambos experimentos, "Dijo Landi." Este fue un descubrimiento contradictorio. No es necesariamente algo que pueda generalizarse. Ocurrió en estos dos casos, pero puede que no sea válido en otros. Veo estos dos experimentos como un esfuerzo inicial para repensar la entropía en este tipo de plataforma. Abren la puerta a una mayor experimentación con un número menor de átomos de rubidio o incluso con cavidades optomecánicas más pequeñas. por ejemplo."

Pérdida y desorden de información

En un estudio teórico reciente, Landi mostró cómo las fluctuaciones clásicas (vibraciones de átomos y moléculas, producir energía térmica) y las fluctuaciones cuánticas podrían ocurrir simultáneamente, sin contribuir necesariamente a los mismos resultados. Ese estudio fue un precursor de los dos nuevos experimentos.

"Tanto el condensado como la cavidad que confina la luz eran fenómenos mesoscópicos. Sin embargo, a diferencia de otros fenómenos mesoscópicos, tenían propiedades cuánticas perfectamente conservadas gracias al blindaje del medio ambiente. Ellos, por lo tanto, proporcionó situaciones controladas en las que la competencia de producción de entropía entre los fenómenos clásicos y cuánticos podría observarse muy claramente, "Dijo Landi.

"La entropía se puede interpretar de varias formas. Si pensamos en términos de información, un aumento de la entropía significa una pérdida de información. Desde el punto de vista de la termodinámica, la entropía mide el grado de desorden. Cuanto mayor es la entropía, cuanto mayor sea el desorden en el sistema. Combinando estos dos puntos de vista, podemos obtener una comprensión más completa del fenómeno ".

Tanto el condensado de Bose-Einstein como la cavidad optomecánica son ejemplos de las llamadas "plataformas de simulación cuántica". Estas plataformas permiten a los científicos sortear un obstáculo importante para el avance del conocimiento porque existen importantes sistemas en la naturaleza para los que existen modelos descriptivos pero para los que no se pueden hacer predicciones debido a dificultades de cálculo. El ejemplo más famoso es la superconductividad a alta temperatura. Nadie comprende cómo ciertos materiales pueden comportarse como superconductores en el punto de ebullición del nitrógeno líquido (aproximadamente -196 ° C).

Las nuevas plataformas proporcionan dispositivos cuánticos que pueden simular estos sistemas. Sin embargo, lo hacen de forma controlada, eliminar todos los factores de complicación, y centrarse solo en los fenómenos de interés más simples. “Esta idea de la simulación cuántica se ha popularizado significativamente en los últimos años. Las simulaciones van desde moléculas importantes en medicina hasta estructuras clave en cosmología, "Dijo Landi.