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miércoles, 2 de noviembre de 2016

Han encontrado una forma de romper la Segunda Ley de la Termodinámica

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Las leyes de la termodinámica son algunos de los principios más importantes de la física moderna, puesto que definen cómo tres magnitudes físicas, fundamentales, temperatura, energía y entropía, se comportan bajo diversas circunstancias.

Pero ahora los físicos dicen que han encontrado una brecha en una de esas leyes, y que se podrían crear escenarios en los que la entropía en realidad disminuye con el tiempo.

Según la teoría estándar moderna, casi todo en el Universo se puede explicar de acuerdo con dos teorías: la relatividad general para el vasto espacio de que ocupan las estrellas, las galaxias y el Universo entero; y la mecánica cuántica, para los comportamientos en la escala atómica.

Entre de estas dos teorías, tenemos las cuatro leyes de la termodinámica, que describen cómo el calor (o energía térmica) se convierte en y desde diferentes tipos de energía, y el efecto que esto puede tener sobre diversas formas de materia.

Básicamente, si quieres saber cómo se mueve la energía dentro de un sistema (desde un átomo hasta un agujero negro) estas son las leyes que necesitas.

De particular interés para nosotros en este momento es la Segunda Ley de la Termodinámica, que trata de la transición de energía dentro de un sistema de "utilizable" a "inutilizable".

Como la energía utilizable dentro de un sistema cerrado o aislado disminuye, y la energía inutilizable aumenta, la entropía (desorden) también aumenta.

La entropía es una medida de la aleatoriedad o desorden dentro de un sistema cerrado o aislado, y la Segunda Ley de la Termodinámica establece que cuando la energía útil se pierde, el caos aumenta, y esa progresión hacia el desorden nunca puede ser revertida.

Como Alok Jha explica para The Guardian, la Segunda Ley de la Termodinámica es probablemente más profunda que la Primera Ley de la Termodinámica, que dice que la energía no puede ser creada o destruida, ya que describe los límites de nuestro Universo.

"Esta ley trata sobre la ineficiencia, la degeneración y la decadencia, y nos dice que todo lo que hacemos es un desperdicio inherente y que hay procesos irreversibles en el Universo", apunta Jha. "Nos da una flecha (una dirección) para el tiempo, y nos dice que nuestro Universo tiene un destino inevitablemente desolador".

Pero, ¿qué pasaría si ese no fuera el caso en cada escenario? ¿Qué pasaría si pudieras crear un sistema en el que la entropía disminuya realmente, que el huevo se recomponga a sí mismo, por así decirlo?

Investigadores del Department of Energy's Argonne National Laboratory de Estados Unidos dicen que, podrían haber descubierto una laguna en la Segunda Ley de la Termodinámica, donde la marcha de la entropía puede ir en la dirección opuesta, al menos a escala microscópica y sólo a corto plazo .

Ellos investigaron el concepto estadístico que sustenta la Segunda Ley, llamado teorema H. En su forma más simple, el teorema H describe cómo si se abre una puerta entre dos habitaciones, una caliente y otra fría, eventualmente se establecerá un equilibrio tibio.

Pero, tal como explica Avery Thompson a Popular Mechanics, dado que es prácticamente imposible hacer un mapa de cómo cada molécula se mueve en este escenario (o mucho más complejos), los físicos los tratan como grupos, en lugar de individualmente.

Para obtener una idea más realista de cómo las moléculas individuales se comportarían de acuerdo con el teorema H, el equipo de Argonne Lab decidió abordarlo en una escala cuántica.

Lo hicieron tomando la teoría de la información cuántica, la cual se basa en un paquete de sistemas matemáticos abstractos, y la aplicaron a la física de materia condensada, hasta llegar a un nuevo modelo teorema H cuántico.

"Esto nos permitió formular el teorema H cuántico, y cómo se relaciona con las cosas que podrían observarse físicamente", explica uno de los miembros del equipo, Ivan Sadovskyy . "Establece una conexión entre los bien documentados procesos de física cuántica y los canales cuánticos teóricos que conforman la teoría de la información cuántica".

Dicen que dentro de su nuevo modelo había ciertas circunstancias en las que la entropía podría disminuir, al menos, temporalmente.

Comparan los resultados con el Demonio de Maxwell, un experimento mental de 1867 ideado por el físico James Clerk Maxwell.

Maxwell propuso que si un minúsculo demonio cuántico se sentaba en la puerta entre dos habitaciones tibias y sólo dejaba que las partículas viajaran a ciertas velocidades, se podría controlar de manera efectiva el flujo de temperatura, haciendo que una habitación se calentara mientras la otra se enfriaba.

"El demonio sólo permitiría que las cosas calientes fueran en una dirección y las cosas frías hacía la otra", continuó Thompson. "Básicamente, lo que haría el demonio sería remezclar la mezcla."

El equipo de Argonne Lab ahora ha dado un paso más adelante, al presentar un modelo matemático que muestra cómo se podría crear un sistema cuántico donde hay una "ganancia de entropía negativa temporal", es decir, una disminución de la entropía.

"Aunque la violación es sólo a escala local, las implicaciones son de gran alcance", señalaba Valerii Vinokur, miembro del equipo. "Esto nos proporciona una plataforma para realizar de forma práctica un demonio cuántico de Maxwell, que podría hacer posible una máquina cuántica local de movimiento perpetuo".

Son temas de alto conceptualización y profundamente controvertidos, pero los investigadores están planeando ampliar su equipo para poder diseñar un sistema de prueba de concepto basado en su modelo de teorema H cuántico.

Habrá que esperar y ver si pueden hacerlo.


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Ref. Science Alert.com, Bec Crew, 2 nov. 2016
 "Physicists might have found a way to break the Second Law of Thermodynamics"
Fuente: La investigación ha sido publicada en Scientific Reports.

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