La seconda legge della termodinamica è alla base di tutta la realtà classica. È il motivo per cui è più facile creare disordine, per cui non si può avere un moto perpetuo, per cui si invecchia e forse anche per cui il tempo scorre in una sola direzione. Ci sono state considerazioni sul fatto che il mondo quantistico potrebbe sfuggire ai vincoli di questa legge. Nuovi studi rivelano che ciò è effettivamente possibile, ma sembra anche che la meccanica quantistica non debba infrangere questa legge cruciale per funzionare. L’esempio preso da questo team internazionale di scienziati è il demone di Maxwell, probabilmente il più famoso esperimento mentale sulla seconda legge della termodinamica. Immagina due camere piene di gas divise da una piccola porta. Il demone ha sensi acuti e può rilevare l’energia delle molecole. Aprendo e chiudendo la porta, divide le porzioni fredde e calde del gas, creando un sistema con entropia inferiore – il disordine del sistema – e ciò infrangerebbe la seconda legge. Nel mondo classico, un demone realistico non infrangerebbe la seconda legge – c’è il lavoro meccanico della porta, l’informazione nella mente del demone, ecc. Tutto si somma all’entropia totale. Tuttavia, si scopre che è possibile infrangerla nella meccanica quantistica. Il team ha sviluppato un “motore demoniaco” – un sistema che potrebbe misurare un sistema target, estrarre lavoro accoppiandolo a un ambiente termico e poi cancellare la sua memoria usando quell’ambiente termico. Il team si aspettava di trovare che il motore avesse sempre bisogno di più energia in ingresso di quella che poteva ottenere in uscita. Questo è il pilastro della seconda legge. Invece, sono riusciti a trovare eccezioni teoriche.
“I nostri risultati hanno mostrato che in determinate condizioni permesse dalla teoria quantistica, anche tenendo conto di tutti i costi, il lavoro estratto può superare il lavoro speso, apparentemente violando la seconda legge della termodinamica,” ha detto in una dichiarazione uno degli autori principali. “Questa rivelazione è stata tanto eccitante quanto inaspettata, sfidando l’assunzione che la teoria quantistica sia intrinsecamente ‘a prova di demone’. Ci sono angoli nascosti nel quadro in cui il demone di Maxwell potrebbe ancora fare la sua magia.”
Potresti chiederti perché il loro lavoro e questa ricerca non riguardino solo la violazione eccitante della seconda legge della termodinamica o l’introduzione dell’era delle macchine a moto perpetuo quantistico. Innanzitutto, ricordiamo che stiamo ancora parlando di configurazioni teoriche! Il team ha scoperto che sì, ci sono opzioni per le teorie quantistiche di sfuggire alla termodinamica, ma anche molte soluzioni che invece rispettano la seconda legge. In particolare, se il protocollo del sistema è compatibile con il comportamento termodinamico, allora, indipendentemente dalla natura quantistica, rispetterà la legge. È possibile creare motori demoniaci che non sembrano esattamente i motori che ci si potrebbe aspettare.
“Il nostro lavoro dimostra che, nonostante queste vulnerabilità teoriche, è possibile progettare qualsiasi processo quantistico in modo che rispetti la seconda legge,” ha spiegato un co-autore. “In altre parole, la teoria quantistica potrebbe potenzialmente infrangere la seconda legge della termodinamica, ma non deve necessariamente farlo. Questo stabilisce un’armonia notevole tra la meccanica quantistica e la termodinamica: rimangono indipendenti ma mai fondamentalmente in contrasto.”
Il lavoro è davvero intrigante. La termodinamica e la teoria quantistica potrebbero essere indipendenti ma interconnesse nello spiegare la realtà. È un’area di esplorazione affascinante che potrebbe avere un impatto sia sulla nostra comprensione teorica della natura della realtà sia sulle tecnologie basate sulle teorie quantistiche. “Una cosa che mostriamo in questo articolo è che la teoria quantistica è davvero logicamente indipendente dalla seconda legge della termodinamica. Cioè, può violare la legge semplicemente perché non ‘sa’ nulla di essa,” ha aggiunto un altro co-autore. “Eppure – e questo è altrettanto notevole – qualsiasi processo quantistico può essere realizzato senza violare la seconda legge della termodinamica. Questo può essere fatto aggiungendo più sistemi fino a quando l’equilibrio termodinamico non viene ripristinato.” Lo studio è pubblicato sulla rivista npj Quantum Information.