En 1798, el oficial y físico Benjamin Thompson (también conocido como Conde Rumford) hizo una observación simple pero poderosa mientras observaba cómo se perforaban cañones en Munich. El metal se calienta constantemente durante el proceso, lo que le lleva a concluir que el calor no es una sustancia física. En cambio, se puede producir de forma continua mediante fricción mecánica.
Para probar esta idea, Rumford colocó cañones de cañón en agua y determinó cuánto tiempo tardaba el agua en hervir. Sus mediciones muestran que el movimiento por sí solo puede generar grandes cantidades de calor. Estos experimentos sentaron las bases de la termodinámica en el siglo XIX. Al principio, este nuevo campo jugó un papel importante en la Revolución Industrial al explicar cómo convertir el calor en trabajo útil, como alimentar máquinas de vapor.
Leyes fundamentales de la energía y el caos
Hoy en día, las leyes de la termodinámica son un conocimiento fundamental para los científicos. Dicen que en un sistema cerrado la cantidad total de energía sigue siendo la misma, ya sea en forma de calor o de trabajo. También describen la entropía, una medida de desorden, que nunca disminuye con el tiempo.
Si bien estos principios son válidos en situaciones cotidianas, surgen problemas cuando los científicos intentan aplicarlos a sistemas extremadamente pequeños gobernados por la física cuántica. A esa escala, los conceptos familiares de calor y trabajo comienzan a desdibujarse.
Un desafío cuántico a la física clásica
Investigadores de la Universidad de Basilea, dirigidos por el profesor Patrick Potts, han desarrollado un nuevo método para definir cantidades termodinámicas para determinados sistemas cuánticos. Sus resultados fueron publicados recientemente en una revista científica. carta de revisión física.
“El problema que tenemos con la descripción termodinámica de los sistemas cuánticos es que en tales sistemas todo es microscópico. Esto significa que la distinción entre trabajo, que es energía macroscópica útil, y calor, o distorsión microscópica del movimiento, ya no es sencilla”, explica el estudiante de doctorado Aaron Daniel.
Luz láser en una cavidad.
Para explorar este desafío, el equipo estudió resonadores de cavidad. Estos sistemas atrapan la luz láser entre dos espejos, lo que hace que la luz rebote hacia adelante y hacia atrás antes de que una parte finalmente escape.
La luz láser se diferencia de la luz producida por bombillas o LED porque sus ondas electromagnéticas se mueven en perfecta sincronización. Cuando la luz láser viaja a través de una cavidad llena de átomos, esta coherencia, conocida como coherencia, puede verse alterada. Como resultado, la luz puede volverse parcial o completamente incoherente (lo que corresponde al movimiento distorsionado de las partículas). “La coherencia de la luz en este tipo de sistema de cavidad láser fue el punto de partida para nuestros cálculos”, dijo Max Schrauen, un estudiante graduado involucrado en la investigación.
Trabajo por coordinación
Los investigadores comenzaron aclarando qué significaba “trabajo” para la luz láser. Un ejemplo es la capacidad de cargar la llamada batería cuántica, que requiere luz coherente que pueda empujar colectivamente a los átomos a estados excitados. Una suposición sencilla podría ser que la luz coherente entrante hace el trabajo, mientras que la luz saliente, con cierta pérdida de coherencia, representa calor.
Pero la situación es más sutil. Incluso la luz que se ha vuelto parcialmente incoherente puede funcionar de forma eficaz, aunque con menos eficacia que la luz totalmente coherente. Daniel y sus colegas comprobaron que si sólo la parte coherente de la luz saliente se cuenta como trabajo, la parte incoherente se cuenta como calor. Con esta definición, ambas leyes de la termodinámica siguen siendo válidas, lo que demuestra que la estructura es autoconsistente.
Implicaciones de la tecnología cuántica
“En el futuro, podremos utilizar nuestro formalismo para considerar problemas más sutiles en la termodinámica cuántica”, dijo Daniel. Este enfoque podría resultar valioso para las tecnologías cuánticas emergentes, incluidas las redes cuánticas. Esto podría ayudar a los científicos a comprender mejor cómo surge el comportamiento clásico familiar del mundo cuántico subyacente.
