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Hay muchas segundas leyes de la termodinámica

En física hay pocas leyes más fundamentales que la segunda ley de la termodinámica. Pero la física cuántica ha encontrado equivalentes sólo distinguibles a escala atómica. Investigadores de las universidades University College London, Dánzig (la Gdansk polaca), Singapur (sudeste de Asia, independizada de Malasia en 1965) y Delft, Holanda, acaban de publicar segundas leyes de la termodinámica, propias de escalas cuánticas, en los Proceedings of the National Academy of Science, donde revelan que “a muy pequeña escala hay en realidad una familia entera de ‘segundas leyes’ que pueden conducir a inesperados y contraintuitivos fenómenos”.

Si la primera ley de la termodinámica nos dice que la energía cambia, pero se conserva, por ejemplo se disipa en forma de calor y así ninguna máquina es perfecta, la segunda nos informa que vamos de regreso del Cosmos al Caos, del orden al desorden: una taza que cae se rompe, con lo que pierde su orden. Y nunca la veremos recuperar el orden que tuvo siendo taza.

La segunda ley de la termodinámica nos dice que todo en el universo tiende a un estado de mayor desorden: que todo se está yendo al carajo, pues. Es la ley de la entropía o la inversa de la información. Una casa está plena de información: colores y molduras de la fachada, distribución interior, puertas, ventanas, cielos rasos, baños, azulejos, un florero en el alféizar de una ventana y una rosa en el florero. Abandonada por años comienza por perder sus colores vivos y limpios, se derrumban balcones y techos. Acaba siendo un montón de tierra donde no hay información alguna acerca de formas, estructuras anteriores.

El universo entero avanza de estados ordenados, como las estrellas, hacia estados de mayor desorden.

La segunda ley de la termodinámica puede verse como una ley estadística que ocurre cuando un gran número se partículas hacen un sistema, comenta Jonathan Oppenheim, del College London, uno de los autores. “Hasta si partes individuales de un sistema adquieren mayor orden, el promedio de entropía total del sistema (la medida de su desorden), se incrementa”.

Hasta aquí vamos de acuerdo y está en los libros de Física que jamás leerán niños de Oaxaca ni Guerrero. Pero los físicos se preguntan si la segunda ley se aplica a promedios, a sistemas amplios ¿es válida para sistemas con un pequeño número de partículas? Para su sorpresa, los investigadores han descubierto que “hay en realidad muchas otras segundas leyes en funcionamiento. En otras palabras, así como ocurre en los sistemas mayores, los menores también tienden a volverse más desordenados”.

Hay muchos tipos diversos de desorden a pequeñas escalas, y todas se incrementan siguiendo la flecha del tiempo, dice otro autor, Michal Horodescki (Dánzig).

Si lanzamos una moneda miles de veces, esperamos tener tantos sellos como águilas: la estadística se aplica a grandes números. Pero, sin que la moneda esté cargada, es posible obtener pequeñas series de sólo águilas o sólo sellos. “Algo similar ocurre al considerar sistemas hechos de muy pocas partículas”, explica Stephenie Wehner (Delft).

A pequeña escala ocurren procesos que parecen negar la segunda ley: “Como una casa normal se vuelve más desordenada, nuestra investigación muestra que la ‘casa’ cuántica se desordena constreñida por un rango de leyes extra. Más extraño aún, la forma en que estas segundas leyes interaccionan entre sí puede hasta parecer que violan la segunda ley. Por ejemplo, un sistema pequeño puede ordenarse de forma espontánea al interactuar con otro sistema. Esto significa que algunos cuartos de la ‘casa’ cuántica pueden ordenarse de forma espontánea, mientras otros se desordenan de forma apenas perceptible”.

Los resultados permiten comprender mejor cómo se transforman calor y energía a muy pequeñas escalas. Esto producirá “amplias aplicaciones en el diseño de sistemas pequeños, como los nano-aparatos, los motores biológicos y las tecnologías para las computadoras cuánticas”.

Novedad: Agápi mu (Amor mío) por 20º aniversario.

 

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