Le leggi della termodinamica sono alcuni dei capisaldi della Fisica moderna perché definiscono come tre fondamentali grandezze fisiche – temperatura, energia ed entropia – si comportano in varie circostanze. In sostanza gli scienziati possono spiegare quasi tutto l’Universo facendo affidamento su due teorie: la relatività generale per la scala del molto grande (stelle, galassie e l’universo stesso); e la meccanica quantistica su scala atomica.
All’interno di questi due rami, le quattro leggi della termodinamica descrivono come il calore (o energia termica) viene convertito da e per diversi tipi di energia, e l’effetto che questo può avere sulle varie forme di materia. In sostanza, se si vuole sapere come si muove l’energia all’interno di un sistema – che sia un atomo o un buco nero – si fa riferimento a queste leggi.
Parliamo del Principio zero della Termodinamica (se i corpi A e B sono entrambi in equilibrio termico con un terzo corpo C, allora lo sono anche fra loro), del Primo principio della Termodinamica, o legge di conservazione dell’energia (l’energia di un sistema termodinamico chiuso non si crea né si distrugge, ma si trasforma, passando da una forma a un’altra), del Secondo Principio della Termodinamica (è impossibile realizzare una trasformazione il cui unico risultato sia quello di trasferire calore da un corpo più freddo a uno più caldo senza l’apporto di lavoro esterno), e il Terzo principio della termodinamica (nello stato a minima energia l’entropia ha un valore ben definito che dipende solo dalla degenerazione dello stato fondamentale).
Uno di questi capisaldi potrebbe vacillare, perché un gruppo di ricercatori sostiene di aver trovato una scappatoia che permetterebbe di infrangere una di queste leggi, e in particolare la seconda legge della termodinamica nella sua formulazione legata all’entropia. Lo scenario che si apre è potenzialmente inquietante: sarebbe possibile creare scenari in cui l’entropiadiminuisce con il tempo invece che aumentare.
Secondo l’enunciato, man mano che l’energia utilizzabile all’interno di un sistema chiuso o isolato diminuisce, aumenta l’energia inutilizzabile, quindi anche l’entropia, e questa progressione non può mai essere invertita. L’entropia non è che altro che una misura del gradi di disordine (o della casualità) all’interno di un sistemaisolato (un sistema è isolato se non c’è scambio di energia o materia con l’ambiente in cui esiste il sistema). Se ci pensate la seconda legge della termodinamica descrive i limiti di ciò che il nostro Universo può fare, e ci ricorda che il caos che segue a tutto ciò che facciamo è un processo irreversibile. Non solo, il secondo principio della termodinamica è legato alla freccia del tempo secondo cui il nostro Universo non potrà sfuggire al suo destino.
Se la prospettiva vi angoscia probabilmente farete i salti di gioia all’idea che potrebbe non essere così, che potrebbe essere possibile creare un sistema in cui l’entropia in realtà diminuisce, come se l’uovo rotto si potesse ricomporre, per fare un esempio.
L’idea è dei ricercatori del Department of National Laboratory Energy, secondo cui potrebbe esserci una lacuna nella Seconda Legge della Termodinamica, che permetterebbe all’entropia di muoversi anche in direzione opposta. Qui l’esempio dell’uovo si smonta miseramente perché a quanto pare l’idea potrebbe funzionare solo su scala microscopica e a breve termine.
Quello che hanno fatto gli scienziati è stato studiare un concetto statistico che è alla base della seconda legge della Termodinamica, chiamato H-Teorema .
Il teorema H è necessario per l’intera trattazione moderna della termodinamica, proposta da Boltzmann: permette di mettere in relazione grandezze termodinamiche (oggetti macroscopici) con grandezze dinamiche (moti microscopici sotto forma di stati). L’approdo a leggi statistiche segue dal grandissimo numero di stati dinamici possibili e Boltzmann ha formulato la distribuzione classica che prende il suo nome e che descrive il comportamento globale di un sistema di un gran numero di particelle classiche. In questo contesto “freddo” e “caldo” assumono connotazioni legate alla dinamica, in particolare un oggetto macroscopico freddo corrisponde a una situazione in cui la velocità media delle particelle microscopiche è bassa, un oggetto caldo, invece, è tale quando la velocità media delle particelle è alta.
Dalla nostra esperienza sappiamo cosa succede a due camere collegate da una porta, una con aria molto calda e l’altra molto fredda. Dopo un certo periodo di tempo si raggiungerà l’equilibrio termico. In termini del teorema H vuol dire che statisticamente le particelle si muoveranno in media con la velocità più probabile. Il teorema H è un risultato di fisica classica, le particele sono trattate come sferette che urtano elasticamente le une contro le altre, non sono trattate quantisticamente.
Dato che è praticamente impossibile mappare i movimenti di ogni singola molecola in questo scenario, i fisici tendono a trattare le molecole come gruppi, e per avere un’idea del loro comportamento si affidano all’H-Teorema.
Quello che hanno fatto i fisici dell’ Argonne Lab è stato applicare lo stesso sistema su scala quantistica. In pratica sono partiti dalla teoria dell’informazione quantistica, che si basa su una serie di sistemi matematici astratti, e l’hanno applicata alla fisica della materia condensata, creando un nuovo modello quantistico dell’H-teorema.
Ivan Sadovskyy, uno degli autori dello studio, spiega che così facendo sono riusciti a “formulare un H-Teorema quantico legato a quello che si potrebbe osservare fisicamente” e che nel loro nuovo modello quantistico ci sarebbero alcune circostanze in cui l’entropia potrebbe effettivamente ridursi, almeno temporaneamente. Insomma la versione quantistica del celeberrimo esperimento mentale proposto da James Clerk Maxwell nel 1867: il Diavoletto classico di Maxwell. Per chi non lo ricorda, il fisico britannico propose una situazione in cui un piccolo demone fosse seduto sulla porta che separa due camere, e lasciasse passare da A a B solo le particelle che si muovevano a una certa velocità.
L’intera idea dei fisici è basata su un’osservazione, legata alla natura profondamente diversa della Fisica classica e della Fisica quantistica. In un sistema classico, se esso è isolato, la sua entropia aumenta nel tempo. In un sistema quantistico, invece, occorre definire in un altro modo l’entropia e si trova che nella nuova definizione per un sistema quantistico, se isolato, l’entropia non subisce variazioni. Allora per definire un analogo quantistico della seconda legge, che necessita di una variazione dell’entropia, occorre introdurre il concetto di sistema “quasi-isolato”. In tal modo si ripristina lo scambio di energia con l’ambiente, seppure contenuto grazie a parametri della teoria che lo rende trascurabile. Questo fa sì che si possa avere una variazione positiva o negativa di entropia, prevista nella formulazione quantistica della teoria, che sembra promettente perché prevede e spiega diversi comportamenti quantistici ben noti.
Valerii Vinokur (del gruppo di ricerca) ha spiegato che nonostante la violazione rilevata dal suo gruppo sia “solo su scala locale, le implicazioni sono di vasta portata”, perché sembra offrire una piattaforma su cui un diavoletto di Maxwell potrebbe realizzare una macchina quantistica locale a moto perpetuo“, facendo qui riferimento a un’ulteriore formulazione del Secondo Principio: non è possibile costruire una macchina termica che converta in lavoro tutta la quantità di calore che assorbe.
Ovviamente al momento si parla di una teoria. Intanto i ricercatori stanno progettando di espandere il gruppo di lavoro e di progettare un sistema di proof-of-concept sulla base del loro modello quantistico H-teorema. Cosa ne uscirà?
Marta Dell’Atti è laureata in fisica teorica e delle interazioni fondamentali presso l’Università del Salento. L’ambito dei suoi studi di ricerca riguarda i modelli teorici che spiegano e prevedono l’esistenza delle particelle elementari e il modo in cui tali particelle interagiscono. Si interessa di relatività generale e meccanica quantistica e si è occupata di divulgazione scientifica. È coautrice di una pubblicazione su JHEP (Journal of High Energy Physics).