Le particelle entangled infrangono la legge classica della termodinamica, dicono i fisici

Nel 1867, il fisico scozzese James Clerk Maxwell pubblicò un esperimento mentale che mostrava come estrarre calore da un contenitore di gas.

Maxwell ha immaginato un contenitore diviso a metà da un muro con una botola che si può aprire e chiudere per far passare le molecole di gas.

L'esperimento inizia con tutto il gas in una metà del contenitore. Il gas contiene molecole che si muovono a un'ampia gamma di velocità. Ogni volta che una molecola ad alta velocità si avvicina alla botola, Maxwell immaginava che un 'demone' la aprisse per far passare la molecola.

Alla fine, tutte le molecole veloci finiscono in una metà del contenitore mentre quelle lente nell'altra metà. In effetti, il demone ha riscaldato una metà del contenitore e raffreddato l'altra.

Un paio di anni fa, abbiamo esaminato una versione sperimentale del demone di Maxwell, in cui i fisici giapponesi hanno creato una sorta di scala in cui hanno abbassato una barriera di energia per consentire agli atomi di saltare su un gradino e poi l'hanno sollevata per impedire all'atomo di ricadere giù di nuovo.

Di conseguenza, l'atomo ha lentamente salito le scale anche se non è stata aggiunta energia al sistema.

Il demone di Maxwell e le sue controparti sperimentali sembrano una chiara violazione della seconda legge della termodinamica, la quale afferma che il calore non può essere passato da un corpo freddo a un corpo caldo senza fare lavoro e che macchine a moto perpetuo di questo tipo sono impossibili.

Ma in realtà non sta succedendo nulla di soprannaturale qui. I fisici moderni si sono resi conto che una descrizione completa della termodinamica deve includere una valutazione dell'ordine e del disordine nel sistema, in altre parole delle informazioni in esso contenute.

I fisici giapponesi devono monitorare la posizione dell'atomo in ogni momento per sapere quando alzare e abbassare le barriere. Quando si tiene conto di questo sistema di monitoraggio e delle informazioni che genera, tutto è come dovrebbe essere.

Tuttavia, la cosa straordinaria dell'esperimento giapponese è che ha convertito le informazioni in energia.

Da allora, i fisici hanno iniziato a chiedersi se potrebbero esserci altre interessanti complessità nella seconda legge, in particolare quando tengono conto della natura quantistica delle particelle.

Che ruolo potrebbe avere la meccanica quantistica? Una possibilità è legata allo strano fenomeno dell'entanglement in cui due particelle diventano così profondamente legate da condividere la stessa esistenza, anche quando sono separate dalla larghezza dell'universo. Quando due particelle sono impigliate, una misurazione su una fornisce informazioni su entrambe le particelle.

Non è difficile vedere come questo potrebbe essere usato in un esperimento di tipo demone Maxwell e oggi è esattamente quello che fanno Ken Funo dell'Università di Tokyo in Giappone e un paio di amici. Ecco come.

Immagina due scatole di particelle con una botola tra di loro. Vuoi usare la botola per guidare le particelle più veloci in una scatola e le particelle più lente nell'altra. In un esperimento classico dovresti misurare le particelle in entrambe le scatole per fare questo esperimento.

Ma le cose sono diverse se le particelle in una scatola sono impigliate con le particelle nell'altra. In tal caso, le misurazioni sulle particelle in una casella forniscono informazioni su entrambi i gruppi di particelle.

In sostanza, stai ricevendo informazioni per niente. E poiché puoi convertire queste informazioni in energia, c'è un chiaro vantaggio quando l'entanglement gioca un ruolo.

Questo è estremamente significativo. Significa che le leggi della termodinamica dipendono non solo dai fenomeni e dalle informazioni classici, ma anche dagli effetti quantistici. La svolta che Funo e co fanno è estendere la teoria per tenerne conto. Mostriamo che gli stati entangled possono essere usati per estrarre il lavoro termodinamico oltre la correlazione classica, dicono.

Ciò avrà importanti implicazioni per tutti i tipi di fenomeni, dai buchi neri e l'astrobiologia alla chimica quantistica e alle nanomacchine.

Ora sarà la gara per chi potrà misurarlo per primo.

Rif: arxiv.org/abs/1207.6872 : Guadagno di lavoro termodinamico dall'entanglement

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