Desmontando el mito de la entropía cuántica: cómo el desorden prevalece inevitablemente
Investigadores de la Universidad Técnica de Viena han resuelto una vieja paradoja de la entropía cuántica y han demostrado que, incluso en sistemas cuánticos aislados, el desorden aumenta de forma natural, alineando la mecánica cuántica con la termodinámica.
La segunda ley de la termodinámica afirma que la entropía -el desorden- siempre aumenta en un sistema cerrado. Esto explica por qué el hielo se derrite y por qué los jarrones rotos no vuelven a unirse. Sin embargo, la física cuántica parece contradecirla, ya que los cálculos tradicionales sugieren que la entropía permanece constante.
Al redefinir la entropía de forma coherente con la mecánica cuántica, los investigadores descubrieron que, de hecho, el desorden aumenta. Los sistemas inicialmente ordenados se vuelven más caóticos con el tiempo, igual que en la física clásica.
Entropía y dirección del tiempo
La entropía suele relacionarse con el desorden, pero en realidad mide si un sistema se encuentra en un estado específico poco frecuente (baja entropía) o en uno de muchos estados similares (alta entropía). «Esto define la flecha del tiempo», explica Max Lock (TU Wien). «El pasado tiene menor entropía, mientras que el futuro tiene mayor entropía». Sin embargo, los trabajos de John von Neumann sugerían que la entropía cuántica permanece invariable, lo que hace que el tiempo parezca reversible.
«Pero esto ignora un detalle clave», dice Tom Rivlin (TU Wien). «En física cuántica, nunca podemos conocer completamente un sistema. Podemos medir propiedades como la posición o la velocidad, pero sólo como probabilidades, nunca con certeza». Esta imprevisibilidad debe tenerse en cuenta en los cálculos de entropía.
A diferencia de la entropía de von Neumann, la de Shannon tiene en cuenta la incertidumbre de las mediciones. «Refleja cuánta información obtenemos de una observación», explica Florian Meier (TU Wien). «Si un resultado es seguro, la entropía de Shannon es cero. Si varios resultados son igualmente probables, es alta».
El desorden cuántico siempre aumenta
Los investigadores demostraron matemáticamente y mediante simulaciones que la entropía de Shannon en un sistema cuántico cerrado aumenta hasta estabilizarse en un máximo, tal como predice la termodinámica clásica. Con el tiempo, las mediciones se vuelven menos predecibles, lo que refuerza la segunda ley de la termodinámica.
En los sistemas de una sola partícula, este efecto es insignificante. Pero en sistemas cuánticos complejos, como los utilizados en computación cuántica, es crucial reconciliar la mecánica cuántica con la termodinámica. «Esta investigación sienta las bases de las futuras tecnologías cuánticas», concluye Huber.
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