En 1798, el oficial y físico Benjamin Thompson, también conocido como Conde de Rumford, realizó una observación sencilla pero poderosa mientras observaba cómo se perforaban cañones en Múnich. El metal se calentaba continuamente durante el proceso, lo que le llevó a concluir que el calor no es una sustancia física. En cambio, puede ser producido indefinidamente a través de la fricción mecánica.
Para probar esta idea, Rumford colocó los cañones en agua y cronometró cuánto tiempo tardaba el agua en hervir. Sus mediciones demostraron que el movimiento por sí solo podía generar grandes cantidades de calor. Experimentos como estos sentaron las bases de la termodinámica en el siglo XIX. Inicialmente, este nuevo campo jugó un papel clave en la Revolución Industrial al explicar cómo el calor podía convertirse eficientemente en trabajo útil, como la alimentación de máquinas de vapor.
Las Leyes Fundamentales de la Energía y el Desorden
Hoy en día, las leyes de la termodinámica son un conocimiento fundamental para los científicos. Establecen que, en un sistema cerrado, la cantidad total de energía permanece constante, ya sea que se manifieste como calor o trabajo. También describen la entropía, una medida del 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 regidos por la física cuántica. A esa escala, las ideas familiares sobre el calor y el trabajo comienzan a difuminarse.
Un Desafío Cuántico a la Física Clásica
Investigadores de la Universidad de Basilea, liderados por el Profesor Patrick Potts, han desarrollado un nuevo enfoque para definir las cantidades termodinámicas en ciertos sistemas cuánticos. Sus hallazgos fueron publicados recientemente en la revista científica Physical Review Letters.
“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 movimiento microscópico desordenado, ya no es sencilla”, explica Aaron Daniel, estudiante de doctorado.
Luz Láser en una Cavidad
Para explorar este desafío, el equipo estudió resonadores de cavidad. Estos sistemas atrapan la luz láser entre dos espejos, haciendo que rebote de un lado a otro antes de que parte de ella finalmente escape.
La luz láser difiere de la luz producida por bombillas o LEDs porque sus ondas electromagnéticas se mueven en perfecta sincronía. Cuando la luz láser viaja a través de una cavidad llena de átomos, esta sincronización, conocida como coherencia, puede verse interrumpida. Como resultado, la luz puede volverse parcial o totalmente incoherente (lo que corresponde al movimiento desordenado de las partículas). “La coherencia de la luz en un sistema láser-cavidad fue el punto de partida de nuestros cálculos”, afirma Max Schrauwen, un estudiante de grado involucrado en el estudio.
Trabajo por Coherencia
Los investigadores comenzaron aclarando qué significa “trabajo” para la luz láser. Un ejemplo es la capacidad de cargar una llamada batería cuántica, que requiere luz coherente que pueda empujar colectivamente a los átomos a un estado excitado. Una suposición simple sería que la luz coherente entrante realiza trabajo, mientras que la luz saliente, habiendo perdido algo de coherencia, representa calor.
Pero la situación es más sutil. Incluso la luz que se ha vuelto parcialmente incoherente aún puede realizar trabajo útil, aunque con menos eficacia que la luz completamente coherente. Daniel y sus colegas examinaron qué sucede si solo la porción coherente de la luz saliente se cuenta como trabajo, mientras que la porción incoherente se trata como calor. Con esta definición, ambas leyes de la termodinámica siguen siendo válidas, lo que demuestra que el marco es autoconsistente.
Implicaciones para la Tecnología Cuántica
“En el futuro, podemos usar nuestro formalismo para considerar problemas más sutiles en la termodinámica cuántica”, dice Daniel. Este enfoque podría ser valioso para las tecnologías cuánticas emergentes, incluidas las redes cuánticas. También podría ayudar a los científicos a comprender mejor cómo el comportamiento clásico familiar emerge del mundo cuántico subyacente.
