Las partículas enredadas rompen la ley clásica de la termodinámica, dicen los físicos

En 1867, el físico escocés James Clerk Maxwell publicó un experimento mental que mostraba cómo extraer calor de un recipiente de gas.

Maxwell soñó un recipiente dividido por la mitad por una pared con una trampilla que se puede abrir y cerrar para permitir el paso de moléculas de gas.

El experimento comienza con todo el gas en la mitad del recipiente. El gas contiene moléculas que se mueven a una amplia gama de velocidades. Siempre que una molécula de alta velocidad se acerca a la trampilla, Maxwell imagina un 'demonio' abriéndola para permitir que la molécula pase.

Eventualmente, todas las moléculas rápidas terminan en una mitad del recipiente, mientras que las lentas permanecen en la otra mitad. En efecto, el demonio ha calentado una mitad del recipiente y enfriado la otra.

Hace un par de años, vimos una versión experimental del demonio de Maxwell, en la que los físicos japoneses crearon una especie de escalera en la que bajaron una barrera de energía para permitir que los átomos saltaran un escalón y luego la levantaron para evitar que el átomo retrocediera. baja de nuevo.

Como resultado, el átomo subió lentamente la escalera a pesar de que no se agregó energía al sistema.

El demonio de Maxwell y sus contrapartes experimentales parecen una clara violación de la segunda ley de la termodinámica, que establece que el calor no se puede pasar de un cuerpo frío a uno caliente sin hacer trabajo y que las máquinas de movimiento perpetuo de este tipo son imposibles.

Pero en realidad no hay nada sobrenatural aquí. Los físicos modernos se han dado cuenta de que una descripción completa de la termodinámica debe incluir una evaluación del orden y el desorden del sistema, en otras palabras, de la información que contiene.

Los físicos japoneses tienen que vigilar la posición del átomo en todo momento para saber cuándo subir y bajar las barreras. Cuando se tiene en cuenta este sistema de seguimiento y la información que genera, todo es como debe ser.

Sin embargo, lo extraordinario del experimento japonés es que convirtió información en energía.

Desde entonces, los físicos han comenzado a preguntarse si podría haber otras complejidades interesantes en la segunda ley, particularmente cuando tienen en cuenta la naturaleza cuántica de las partículas.

¿Cómo podría jugar un papel la mecánica cuántica? Una posibilidad está relacionada con el extraño fenómeno del entrelazamiento en el que dos partículas se vinculan tan profundamente que comparten la misma existencia, incluso cuando están separadas por el ancho del universo. Cuando dos partículas están entrelazadas, la medición de una le brinda información sobre ambas partículas.

No es difícil ver cómo podría usarse esto en un experimento tipo demonio de Maxwell y hoy eso es exactamente lo que hacen Ken Funo de la Universidad de Tokio en Japón y un par de amigos. Así es cómo.

Imagina dos cajas de partículas con una trampilla entre ellas. Desea utilizar la trampilla para guiar las partículas más rápidas a una caja y las más lentas a la otra. En un experimento clásico, tendrías que medir las partículas en ambas cajas para hacer este experimento.

Pero las cosas son diferentes si las partículas de una caja se entrelazan con las partículas de la otra. En ese caso, las mediciones de las partículas en un cuadro le brindan información sobre ambos conjuntos de partículas.

En esencia, obtienes información a cambio de nada. Y dado que puede convertir esa información en energía, existe una clara ventaja cuando el entrelazamiento juega un papel.

Eso es muy significativo. Significa que las leyes de la termodinámica dependen no solo de la información y los fenómenos clásicos, sino también de los efectos cuánticos. El gran avance que hacen Funo y compañía es extender la teoría para tener esto en cuenta. Demostramos que los estados entrelazados se pueden utilizar para extraer trabajo termodinámico más allá de la correlación clásica, dicen.

Eso tendrá importantes implicaciones para todo tipo de fenómenos, desde los agujeros negros y la astrobiología hasta la química cuántica y las nanomáquinas.

Ahora comenzará la carrera para ver quién puede medirlo primero.

Ref: arxiv.org/abs/1207.6872 : Ganancia de trabajo termodinámico por enredo

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