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mercoledì 6 gennaio 2016

I fisici confermano l'irreversibilità termodinamica in un sistema quantico



Da “Phys.org”. Traduzione di MR (via Emilio Martines)

Di Lisa Zyga


Nell'esperimento, un campione di cloroformio liquido (CHCl3) viene posto al centro di un magnete superconduttore dentro ad un magnetometro a risonanza nucleare magnetica (NMR). Vengono applicati impulsi magnetici avanti e indietro al campione, che porta rotazioni del carbonio nucleare fuori equilibrio e produce un'entropia irreversibile. Immagine: Batalhão, et al. ©2015 American Physical Society

Per la prima volta, i fisici hanno svolto un esperimento che conferma che i processi termodinamici sono irreversibili in un sistema quantico – il che significa che, anche a livello quantico, non puoi far ritornare intero un uovo rotto. I risultati hanno implicazioni per la comprensione della termodinamica nei sistemi quantici e, a loro volta, nella progettazione di computer quantici ed altre tecnologie informatiche quantiche. I fisici, Tiago Batalhão dell'Università Federale del ABC del Brasile ed i suoi coautori, hanno pubblicato il loro articolo sulla dimostrazione sperimentale della irreversibilità termodinamica quantica in un numero recente della Physical Review Letters.


L'irreversibilità a livello quantico potrebbe sembrare ovvia alla maggior parte delle persone perché corrisponde alle nostre osservazioni quotidiane del mondo macroscopico. Tuttavia, per i fisici non è così lineare, perché le leggi microscopiche della fisica, come l'equazione di Schrödinger, sono “temporalmente simmetriche”, o reversibili. In teoria, i processi microscopici in avanti o indietro  sono indistinguibili. Nella realtà, tuttavia, osserviamo soltanto processi in avanti, quelli non reversibili, come i gusci delle uova che non possono essere rimessi insieme. E' chiaro che, a livello microscopico, queste leggi vanno contro a quello che osserviamo. Ora il nuovo studio mostra che le leggi a livello microscopico non corrispondono a quello che accade nemmeno a livello quantico.

Osservare processi termodinamici in un sistema quantico è molto difficile e finora non era stato fatto. Nel loro esperimento, gli scienziati hanno misurato il cambiamento di entropia che avviene quando viene applicato un campo magnetico oscillante agli atomi del carbonio-13 nel cloroformio liquido. All'inizio hanno applicato una pulsazione di campo magnetico che causa il salto delle rotazioni nucleari dell'atomo e poi hanno applicato la pulsazione al contrario per far subire alle rotazioni la dinamica invertita. Se la procedura fosse reversibile, le rotazioni sarebbero tornate ai loro punti di partenza – ma non l'hanno fatto. Fondamentalmente, le pulsazioni avanti e indietro sono state applicate così rapidamente che il salto delle rotazioni non riusciva a tenere il ritmo, così le rotazioni sono state spinte fuori dall'equilibrio. Le misurazioni delle rotazioni hanno indicato che nel sistema isolato l'entropia stava aumentando, mostrando che il processo quantico termodinamico era irreversibile.

Dimostrando che l'irreversibilità termodinamica si verifica anche a livello quantico, i risultati rivelano che l'irreversibilità termodinamica emerge su scala veramente microscopica. Questa scoperta rende la domanda del perché le leggi microscopiche della fisica non corrispondono alle nostre osservazioni ancora più pressante. Se le leggi sono realmente reversibili, allora quali sono le origini fisiche della produzione di entropia temporalmente asimmetrica che osserviamo? I fisici spiegano che la risposta a questa domanda sta nella scelta delle condizioni iniziali. Le leggi microscopiche permettono i processi reversibili solo perché cominciano con “un vero processo di equilibrio per cui la produzione di entropia svanisce sempre”, scrivono gli scienziati nel loro articolo. Preparare un tale stato iniziale ideale in un sistema fisico è estremamente complesso e gli stati iniziali di tutti i processi osservati non sono di “vero equilibrio”, che è il motivo per cui portano a processi irreversibili.

“Il nostro esperimento mostra la natura irreversibile delle dinamiche quantiche, ma non localizza, sperimentalmente, cosa la causi al livello microscopico, cosa determini l'inizio della direzione del tempo”, ha detto a Phys.org. “Occuparsi di questo chiarirebbe la ragione finale del suo insorgere”. I ricercatori sperano in futuro di applicare la nuova comprensione della termodinamica a livello quantistico per tecnologie quantiche ad alta prestazione. “Ogni progresso verso la gestione dei processi termodinamici temporalmente finiti a livello quantico è un passo avanti verso la realizzazione di una termo-macchina a tutti gli effetti che possa sfruttare le leggi della meccanica quantistica per superare i limiti di prestazione dei dispositivi classici”, ha detto paternostro. “Questo lavoro mostra che le implicazioni per la reversibilità (o la mancanza di) delle dinamiche quantiche di non equilibrio. Una volta che l'abbiamo definita, la possiamo sfruttare a livello tecnologico”.