El segundo principio de la termodinámica es una de las leyes más fundamentales de la física. Nos dice que la entropía, o el desorden de un sistema, siempre aumenta con el tiempo en un sistema aislado. Esto explica por qué las tazas rotas no se recomponen solas o por qué la energía de un motor no se aprovecha al 100 %. Sin embargo, una idea propuesta hace más de un siglo ha desafiado esta regla: el demonio de Maxwell. Se trata de un experimento mental en el que un “demonio” microscópico parece violar esta ley, separando partículas de gas caliente y frío sin gastar energía. Aunque parecía una paradoja imposible de resolver, la física cuántica ha reabierto el debate. ¿La física se tambalea?
Un estudio reciente, publicado en npj Quantum Information, sugiere que algunos procesos cuánticos pueden eludir ciertas restricciones del segundo principio, lo que ha generado sorpresa y controversia. Según los autores, el trabajo extraído en estos procesos puede superar el trabajo invertido, lo que haría parecer que la ley termodinámica se rompe. Sin embargo, los investigadores enfatizan que esto no implica una violación real de la termodinámica, sino que revela ciertos vacíos dentro del marco cuántico. Veamos en detalle qué significa esto.
El demonio de Maxwell: una paradoja que persiste
En 1867, James Clerk Maxwell propuso una idea que puso en jaque la segunda ley de la termodinámica. Imaginó un ser microscópico capaz de distinguir y separar moléculas de gas caliente y frío sin aparentemente gastar energía. Al hacerlo, creaba una diferencia de temperatura aprovechable para generar trabajo, algo que en teoría no debería ser posible.
Durante más de un siglo, los físicos han tratado de explicar por qué el demonio de Maxwell no puede funcionar en la realidad. La solución clásica a esta paradoja se basa en el concepto de información y entropía: si el demonio mide las partículas, debe almacenar información y, eventualmente, eliminarla, lo que requiere gastar energía y restaura el equilibrio termodinámico. En otras palabras, el propio proceso de observación consume trabajo y evita que la segunda ley se rompa.
El experimento cuántico que desafía la termodinámica
Investigadores de Nagoya University y la Slovak Academy of Sciences han utilizado un modelo matemático para analizar cómo funcionaría un “motor demoníaco” en el contexto de la mecánica cuántica.
Este modelo se basa en la teoría de los instrumentos cuánticos, que describe los procesos de medición en sistemas cuánticos. El experimento teórico consta de tres pasos:
- Medición del sistema cuántico por parte del “demonio”.
- Extracción de trabajo mediante el acoplamiento a un entorno térmico.
- Borrado de la memoria del demonio, lo que implica interacción con el entorno.
Los investigadores encontraron algo sorprendente y poco intuitivo: en ciertas condiciones cuánticas, el trabajo extraído puede superar el trabajo invertido, lo que aparenta una violación del segundo principio.
¿Se puede realmente romper la segunda ley?
A pesar del impacto de estos resultados, los autores del estudio aclaran que la termodinámica sigue intacta. Lo que han encontrado son vacíos dentro de la teoría cuántica que permiten que ciertos procesos no parezcan seguir el segundo principio de manera estricta, pero sin romperlo realmente.
Uno de los autores, Shintaro Minagawa, explica que los resultados mostraron que, en ciertas condiciones permitidas por la teoría cuántica, incluso considerando todos los costos, el trabajo extraído puede superar el trabajo gastado, desafiando la suposición de que la mecánica cuántica es inherentemente “a prueba de demonios”
Su colega, Hamed Mohammady, añade que el trabajo demuestra que, a pesar de estas vulnerabilidades teóricas, cualquier proceso cuántico puede diseñarse de manera que respete la segunda ley.
Implicaciones para la física y la tecnología cuántica
Este descubrimiento tiene consecuencias no solo para la comprensión de las leyes fundamentales del universo, sino también para el desarrollo de tecnologías cuánticas, como computación cuántica y motores a escala nanométrica.
Estos resultados plantean nuevas preguntas sobre los límites de la termodinámica en la mecánica cuántica y podrían influir en la futura implementación de dispositivos cuánticos. Aunque el demonio de Maxwell sigue siendo una paradoja fascinante, este estudio sugiere que incluso en el extraño mundo cuántico, la termodinámica siempre encuentra la manera de imponerse.
Referencias
- Minagawa, S., Mohammady, M. H., Sakai, K., Kato, K., & Buscemi, F. (2025). Universal validity of the second law of information thermodynamics. npj Quantum Information. DOI: 10.1038/s41534-024-00922-w.
Cortesía de Muy Interesante
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