La seconda legge della termodinamica afferma che l'entropia totale di un sistema isolato tende sempre ad aumentare nel tempo fino a raggiungere un massimo. In altre parole, la disorganizzazione aumenta senza intervento esterno. Le apparecchiature elettriche si surriscaldano inevitabilmente poiché parte dell'energia viene dissipata sotto forma di calore invece di essere utilizzata per lavori meccanici, e gli oggetti si deteriorano nel tempo ma non si rigenerano spontaneamente.

Però, questa natura intuitiva dell'entropia non si applica necessariamente al mondo microscopico. I fisici hanno quindi reinterpretato la seconda legge dandole una svolta statistica:l'entropia infatti aumenta, ma c'è una probabilità non nulla che a volte possa diminuire.

Per esempio, invece del calore che scorre da un corpo caldo a uno freddo, come di solito, può fluire da un corpo freddo a uno caldo in determinate situazioni. I teoremi di fluttuazione (FT) hanno quantificato questa probabilità con precisione, e la questione ha un interesse pratico per quanto riguarda il funzionamento delle macchine su scala nanometrica. I FT sono stati proposti per la prima volta in un articolo pubblicato nel 1993 in Lettere di revisione fisica . L'articolo è stato scritto dagli scienziati australiani Denis Evans e Gary Morriss e dallo scienziato olandese Ezechiel Cohen. Hanno testato uno di questi teoremi utilizzando simulazioni al computer.

Un articolo pubblicato di recente sulla stessa rivista mostra che una conseguenza dei FT sono le relazioni di incertezza termodinamica, che comportano fluttuazioni nei valori di grandezze termodinamiche come il calore, lavoro e potere. Il titolo del nuovo articolo è "Relazioni di incertezza termodinamica dai teoremi di fluttuazione dello scambio".

Il primo autore fu André Timpanaro, un professore presso l'Università Federale dell'ABC (UFABC), Stato di San Paolo, Brasile. Il ricercatore principale per lo studio è stato Gabriel Landi, un professore presso l'Istituto di Fisica dell'Università di San Paolo (IF-USP). Giacomo Guarnieri e John Goold, affiliato con il Dipartimento di Fisica del Trinity College di Dublino (Irlanda), anche partecipato.

Relazioni di incertezza

"Le origini fisiche delle relazioni di incertezza termodinamica erano oscure fino ad ora. Il nostro studio mostra che possono essere derivate da FT, " ha detto Landi.

"Quando abbiamo iniziato a studiare la termodinamica, abbiamo dovuto affrontare quantità come il calore, lavoro e potere, a cui abbiamo sempre assegnato valori fissi. Non avremmo mai immaginato che potessero fluttuare, ma lo fanno. Nel mondo microscopico, queste fluttuazioni sono rilevanti. Possono influenzare le operazioni di una macchina su scala nanometrica, Per esempio. Le relazioni di incertezza termodinamica stabiliscono un piano per queste fluttuazioni, collegandoli ad altre grandezze come la dimensione del sistema."

Le relazioni di incertezza termodinamica sono state scoperte nel 2015 da un gruppo di ricercatori guidati da Udo Seifert dell'Università di Stoccarda in Germania. André Cardoso Barato, un ex studente all'IF-USP e attualmente professore all'Università di Houston (USA), partecipato alla scoperta.

La struttura matematica di queste relazioni ricorda quella del principio di indeterminazione di Heisenberg, ma non hanno nulla a che fare con la fisica quantistica; sono puramente termodinamici. "La natura delle relazioni di incertezza termodinamica non è mai stata molto chiara, Landi ha detto. "Il nostro contributo principale è stato quello di dimostrare che derivano da FT. Riteniamo che i FT descrivano la seconda legge della termodinamica più in generale e che le relazioni di incertezza termodinamica siano una conseguenza dei FT".

Secondo Landi, questa generalizzazione della seconda legge della termodinamica tratta le quantità termodinamiche come entità che possono fluttuare, anche se non arbitrariamente, poiché devono obbedire a certe simmetrie. "Ci sono diversi teoremi di fluttuazione, " ha detto. "Abbiamo trovato una classe speciale di FT e ci siamo concentrati su di loro come casi di simmetria matematica. In questo modo, abbiamo trasformato il nostro problema in un problema matematico. Il nostro risultato principale è stato un teorema della teoria della probabilità".