La produzione di entropia, che significa aumentare il grado di disordine in un sistema, è una tendenza inesorabile nel mondo macroscopico a causa della seconda legge della termodinamica. Ciò rende irreversibili i processi descritti dalla fisica classica e, per estensione, impone una direzione allo scorrere del tempo. Però, la tendenza non si applica necessariamente al mondo microscopico, che è governato dalla meccanica quantistica. Le leggi della fisica quantistica sono reversibili nel tempo, così nel mondo microscopico, non esiste una direzione preferenziale al flusso dei fenomeni.

Uno degli obiettivi più importanti della ricerca scientifica contemporanea è sapere esattamente dove avviene la transizione dal mondo quantistico al mondo classico e perché avviene, in altre parole, scoprire cosa fa predominare la produzione di entropia. Questo obiettivo spiega l'attuale interesse per lo studio dei sistemi mesoscopici, che non sono piccoli come i singoli atomi, ma mostrano comunque un comportamento quantistico ben definito.

Un nuovo studio sperimentale condotto da ricercatori brasiliani e non solo offre un importante contributo in questo campo. Un articolo a riguardo è stato recentemente pubblicato su Lettere di revisione fisica .

"Abbiamo studiato due sistemi:un condensato di Bose-Einstein con 100, 000 atomi confinati in una cavità e una cavità optomeccanica che confina la luce tra due specchi, " Gabriel Teixeira Landi, un professore presso l'Istituto di Fisica dell'Università di San Paolo (IF-USP), detto.

Landi è stato uno degli scienziati responsabili dello sviluppo di un modello teorico che correla la produzione di entropia con quantità misurabili per entrambi gli esperimenti. La ricerca è supportata dalla São Paulo Research Foundation—FAPESP. Il condensato di Bose-Einstein è stato studiato presso il Politecnico federale di Zurigo (ETH Zurigo), e il dispositivo di optomeccanica della cavità è stato studiato presso l'Università di Vienna in Austria.

Spesso chiamato "quinto stato della materia" (gli altri quattro sono solidi, liquidi, gas e plasma), I condensati di Bose-Einstein si ottengono quando un gruppo di atomi viene raffreddato quasi allo zero assoluto. In queste condizioni, le particelle non hanno più l'energia libera per muoversi l'una rispetto all'altra, e alcuni di loro entrano negli stessi stati quantistici, diventando indistinguibili l'uno dall'altro. Gli atomi obbediscono quindi alle cosiddette statistiche di Bose-Einstein, che di solito si applicano a particelle identiche. In un condensato di Bose-Einstein, l'intero gruppo di atomi si comporta come una singola particella.

Una cavità optomeccanica è fondamentalmente una trappola di luce. In questo caso particolare, uno degli specchi era costituito da una membrana nanometrica in grado di vibrare meccanicamente. Così, l'esperimento prevedeva interazioni tra luce e vibrazione meccanica. In entrambi i sistemi, c'erano due serbatoi, uno caldo e l'altro freddo, in modo che il calore potesse fluire dall'uno all'altro.

"Entrambe le situazioni hanno mostrato le firme di qualcosa di irreversibile e quindi hanno dimostrato un aumento dell'entropia. Inoltre, hanno mostrato irreversibilità come conseguenza di effetti quantistici, Landi ha detto. "Gli esperimenti hanno permesso di distinguere chiaramente gli effetti classici dalle fluttuazioni quantistiche".

La principale difficoltà in questa linea di ricerca è che la produzione di entropia non può essere misurata direttamente. Negli esperimenti in questione, perciò, gli scienziati hanno dovuto costruire una relazione teorica tra la produzione di entropia e altri fenomeni che segnalano l'irreversibilità e sono direttamente misurabili. In entrambi i casi, hanno scelto di misurare i fotoni che fuoriescono dalle cavità, avendo volutamente usato specchi semitrasparenti per far fuoriuscire un po' di luce.

Hanno misurato il numero medio di fotoni all'interno delle cavità e le variazioni meccaniche nel caso dello specchio vibrante.

"Le fluttuazioni quantistiche hanno contribuito ad un aumento dell'irreversibilità in entrambi gli esperimenti, Landi ha detto. "Questa è stata una scoperta controintuitiva. Non è necessariamente qualcosa che può essere generalizzato. È successo in questi due casi, ma potrebbe non essere valido in altri. Vedo questi due esperimenti come uno sforzo iniziale per ripensare l'entropia su questo tipo di piattaforma. Aprono la porta a ulteriori sperimentazioni con un numero inferiore di atomi di rubidio o cavità optomeccaniche ancora più piccole, Per esempio."

Perdita di informazioni e disordine

In un recente studio teorico, Landi ha mostrato come le fluttuazioni classiche (vibrazioni di atomi e molecole, produzione di energia termica) e fluttuazioni quantistiche potrebbero verificarsi contemporaneamente, senza necessariamente contribuire agli stessi risultati. Questo studio è stato un precursore dei due nuovi esperimenti.

"Sia il condensato che la cavità confinante con la luce erano fenomeni mesoscopici. Tuttavia, a differenza di altri fenomeni mesoscopici, avevano proprietà quantistiche perfettamente conservate grazie alla schermatura dall'ambiente. Essi, perciò, fornito situazioni controllate in cui la competizione di produzione di entropia tra fenomeni classici e quantistici potrebbe essere osservata molto chiaramente, " ha detto Landi.

"L'entropia può essere interpretata in vari modi. Se pensiamo in termini di informazione, un aumento dell'entropia significa una perdita di informazioni. Dal punto di vista della termodinamica, l'entropia misura il grado di disordine. Maggiore è l'entropia, maggiore è il disordine nel sistema. Combinando queste due visioni, possiamo ottenere una comprensione più completa del fenomeno".

Sia il condensato di Bose-Einstein che la cavità optomeccanica sono esempi delle cosiddette "piattaforme di simulazione quantistica". Queste piattaforme consentono agli scienziati di aggirare un grosso ostacolo al progresso della conoscenza perché esistono in natura sistemi importanti per i quali esistono modelli descrittivi ma per i quali non è possibile fare previsioni a causa di difficoltà di calcolo. L'esempio più famoso è la superconduttività ad alta temperatura. Nessuno capisce come certi materiali possano comportarsi come superconduttori al punto di ebollizione dell'azoto liquido (circa -196°C).

Le nuove piattaforme forniscono dispositivi quantistici in grado di simulare questi sistemi. Però, lo fanno in modo controllato, eliminare tutti i fattori di complicazione, e concentrarsi solo sui fenomeni di interesse più semplici. "Questa idea di simulazione quantistica ha preso piede in modo significativo negli ultimi anni. Le simulazioni spaziano da importanti molecole in medicina a strutture chiave in cosmologia, " ha detto Landi.