Teoria quântica e termodinâmica podem viver em harmonia, mesmo discordando

Energia

Redação do Site Inovação Tecnológica - 28/03/2025

Enigma da entropia

Pesquisadores revelaram novas informa??es sobre a intera??o entre a teoria qu?ntica e a termodin?mica.

? o quarto trabalho nesta ?rea de fronteira em poucas semanas, ap?s a demonstra??o de que a entropia pode de fato existir no mundo qu?ntico, que a mec?nica qu?ntica e a termodin?mica podem ser verdadeiras simultaneamente ou, se tudo parecer muito complicado, basta ajustar o conceito de entropia para que a f?sica qu?ntica a aceite.

Shintaro Minagawa e colegas da Universidade de Nagoya, no Jap?o, e da Academia Eslovaca de Ci?ncias demonstram agora que, embora a teoria qu?ntica n?o pro?ba inerentemente viola??es da Segunda Lei da Termodin?mica, processos qu?nticos podem ser implementados sem realmente violar essa lei.

? uma abordagem do tipo "caminho do meio", destacando uma possibilidade de coexist?ncia harmoniosa entre os dois campos, apesar de sua independ?ncia l?gica. Esta nova demonstra??o abre novos caminhos para entender os limites termodin?micos das tecnologias qu?nticas, como a computa??o qu?ntica ou os motores em nanoescala.

Dem?nio de Maxwell

A Segunda Lei afirma que a entropia - uma medida da desordem em um sistema - nunca diminui espontaneamente. Ela tamb?m afirma que um motor operando ciclicamente n?o pode produzir trabalho mec?nico extraindo calor de um ?nico ambiente t?rmico e ressalta o conceito de um fluxo unidirecional do tempo.

Apesar de seu papel fundamental, a Segunda Lei da Termodin?mica continua sendo um dos princ?pios mais debatidos e mal compreendidos na ci?ncia. E no centro desse debate est? o famoso paradoxo do "dem?nio de Maxwell", um experimento mental proposto pelo f?sico James Clerk Maxwell em 1867. Esse ser imagin?rio interfere com a entropia, separando as part?culas quentes das frias e impedindo o caminho normal de equaliza??o das temperaturas. ? medida que o sistema retorna ao equil?brio, trabalho mec?nico ? extra?do, aparentemente desafiando a Segunda Lei.

As solu??es para o paradoxo t?m-se centrado amplamente em tratar o dem?nio como um sistema f?sico sujeito ?s leis termodin?micas. Uma solu??o proposta ? apagar a mem?ria do dem?nio, o que exigiria um gasto de trabalho mec?nico, compensando efetivamente a viola??o da Segunda Lei.

Foi daqui que a equipe partiu, na tentativa de explorar esse mecanismo mais a fundo.

Dem?nios continuam fazendo suas m?gicas

Minagawa e seus colegas desenvolveram um modelo matem?tico para um "motor demon?aco", um sistema alimentado pelo dem?nio de Maxwell. Eles escolheram uma abordagem baseada na teoria dos instrumentos qu?nticos, uma estrutura introduzida nas d?cadas de 1970 e 1980 para descrever as formas mais gerais de medi??o qu?ntica.

O modelo envolve tr?s etapas: O dem?nio mede um sistema alvo, ent?o extrai trabalho dele ao acopl?-lo a um ambiente t?rmico e, finalmente, apaga sua mem?ria ao interagir com o mesmo ambiente. Isso deu origem a equa??es precisas para o trabalho despendido pelo dem?nio e o trabalho que ele extrai, expressas em termos de medidas de informa??o qu?ntica, como entropia de von Neumann e ganho de informa??o de Groenewold-Ozawa, um conceito que quantifica a quantidade de informa??o obtida quando uma medi??o qu?ntica ? realizada.

O resultado surpreendente emergiu quando a equipe comparou essas equa??es: "Nossos resultados mostraram que, sob certas condi??es permitidas pela teoria qu?ntica, mesmo depois de contabilizar todos os custos, o trabalho extra?do pode exceder o trabalho despendido, aparentemente violando a Segunda Lei da Termodin?mica," detalhou Minagawa. "Esta revela??o foi t?o emocionante quanto inesperada, desafiando a suposi??o de que a teoria qu?ntica ? inerentemente '? prova de dem?nios'. H? cantos ocultos na estrutura onde o dem?nio de Maxwell ainda pode fazer sua m?gica."

Harmonia entre teorias

A exemplo de alguns dos outros trabalhos citados no in?cio da reportagem, este novo conjunto de equa??es vem no sentido de "amenizar" o conflito, ou dizer que n?o ? necess?rio haver um conflito entre mec?nica qu?ntica e termodin?mica.

"Nosso trabalho demonstra que, apesar dessas vulnerabilidades te?ricas, ? poss?vel projetar qualquer processo qu?ntico para que ele esteja em conformidade com a segunda lei", disse Hamed Mohammady, membro da equipe. "Em outras palavras, a teoria qu?ntica pode potencialmente quebrar a Segunda Lei da Termodin?mica, mas na verdade ela n?o precisa fazer isto. Isso estabelece uma harmonia not?vel entre a mec?nica qu?ntica e a termodin?mica: Elas permanecem independentes, mas nunca fundamentalmente em desacordo."

Esta descoberta tamb?m sugere que a segunda lei n?o imp?e limita??es estritas ?s medi??es qu?nticas. Qualquer processo permitido pela teoria qu?ntica pode ser implementado sem violar os princ?pios termodin?micos. E isso abre novas possibilidades para tecnologias qu?nticas, sem desafiar os princ?pios atemporais da termodin?mica - entre outros, na computa??o qu?ntica e nos motores em nanoescala.

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