NeoFronteras

Incertidumbre y Termodinámica

Área: Física — lunes, 25 de junio de 2012

Según un estudio, si el principio de incertidumbre no se cumpliera se violaría el segundo principio de la Termodinámica.

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Una vez se descubre algo interesante los demás solemos pensar eso de: “¡Pues claro, es así! ¿Cómo no se me ocurrió a mí antes?” Parece que hay una tremenda asimetría entre lo que podemos descubrir (casi desde la nada) y la comprensión de ese hallazgo una vez que alguien lo descubre. Lo primero es muy difícil y lo segundo tremendamente fácil.
Nuestros cerebros evolucionaron para la caza y la recolección en la sabana africana, aunque son suficientemente flexibles como para que los podamos dedicar a otros menesteres, como por ejemplo a la Física y la Matemáticas. Pero eso no significa que sea fácil.
Los conceptos geométricos que tenemos provienen de nuestra capacidad de orientarnos durante la caza. Quizás nuestra capacidad de entender cantidades provenga de la recolección de frutos, al fin y al cabo, el que hiciera una mala estimación de frutos recolectados probablemente se moría de hambre o tenía menor descendencia y sus genes se perdían. Pero otro conceptos no se desprende directamente de nuestra habilidad de cazadores y recolectores.
Cuando se trata de fenómenos muy alejados de algo similar a la caza o la recolección, la investigación científica es más difícil e incluso su comprensión desafía nuestra intuición. Esto es probablemente lo que pasa con la Mecánica Cuántica (MC). Quizás se pueda desarrollar una vida basada en reacciones nucleares en lugar de químicas en una estrella de neutrones. Para sus hipotéticos habitantes lo natural serán los fenómenos cuánticos y lo raro sus aproximaciones clásicas.
Pero nosotros no vivimos en un mundo tan exótico, tenemos que pensar mucho antes de llegar a conclusiones acerca de los fenómenos que se dan en el mundo nanoscópico.
Heisenberg, cuando estaba desarrollando la MC, introdujo el concepto de principio de incertidumbre o de indeterminación. Según este principio no podemos conocer simultáneamente la cantidad de movimiento (momento) y la posición de una partícula de manera precisa. Si queremos saber uno de ellos bien entonces el conocimiento que tengamos sobre el otro tendrá bastante error.
En un principio se pensó que, al fin y al cabo, esto no era más que el resultado de una limitación física a la hora de observar este tipo de sistemas. Así por ejemplo, al iluminar el sistema con fotones para saber qué es lo que pasa modificamos el sistema que estamos estudiando. Luego se fue viendo que este principio es algo más intrínseco e independiente de nuestra habilidad a la hora de medir.
Pero esta incertidumbre era algo que molestaba tremendamente a los que creían en un mundo clásico, como Albert Einstein. Para salvaguardar el realismo, la objetividad y el comportamiento clásico se introdujo el concepto de variables ocultas. Según esta idea la MC no sería más que una aproximación estadística a una teoría clásica más profunda desconocida. Pero al final la MC ha resistido todos estos ataques.
Ahora Stephanie Wehner y Esther Hänggi, de la Universidad Nacional de Singapur (a algunos les extrañará todavía que a ciertos países asiáticos les vaya económicamente bien, pero en realidad también invierten en ciencia y tecnología) proponen en un artículo un resultado que asustaría al propio Einstein, pues se vería obligado a elegir entre Termodinámica y clasicismo.
Según estos investigadores, si eliminamos el principio de incertidumbre entonces son posibles los móviles perpetuos de segunda especie.
La Termodinámica es la parte más sensata de toda la Física y nos dice cosas tan obvias como que no hay nada gratis, que el desorden global siempre aumenta o que un frigorífico deja de funcionar si lo desenchufamos.
Sí que hay objetos que se mueven perpetuamente cuando no hay rozamiento, pero el término termodinámico significa en realidad la obtención de energía desde la nada. Básicamente hay dos tipos de los móviles perpetuos: de primera y de segunda especie. Los primeros negarían el primer principio de la termodinámica y los segundos el segundo.
Los móviles perpetuos de segunda especie conseguirían obtener energía a partir del intercambio de calor con solamente un foco térmico, algo prohibido por el segundo principio. Si queremos obtener trabajo en un sistema termodinámico necesitamos siempre dos focos a distinta temperatura y llevar el calor del foco caliente al frío. Si queremos llevar calor del frío al caliente entonces necesitamos realizar un trabajo (consumir energía).
Los móviles perpetuos han sido blanco de todo tipo de iluminados desde el siglo XIX, aunque ya entonces las academias de ciencias se negaran a revisar tales ideas. Si alguien propone un dispositivo de este tipo simplemente no se lee la propuesta y se manda a la papelera.
Wehner y Hänggi han analizado el principio de incertidumbre a la luz de la Teoría de la Información. Sugieren que dos propiedades de una sistema cuántico, como las variables conjugadas posición y momento, no pueden ser consideradas como secuencias de información que codifiquen la misma partícula simultaneamente. No se pueden leer ambas secuencias de información a la vez. Si se consigue leer una con precisión entonces se pierde mucha información en la descodificación de la segunda.
Entonces se plantean qué pasaría si se tiene acceso a esa información que no ha podido ser decodificada, lo que implicaría violar el principio de incertidumbre. Como se necesita tanto información como energía para realizar trabajo en uno de estos sistemas, llegan a la conclusión de que entonces se podría extraer más trabajo del permitido por la Termodinámica.
Este concepto de la relación existente entre energía e información es conocido para aquellos que estén familiarizados con el diablillo de Maxwell. Si el diablillo sabe la energía de la molécula que le llega a tubo que comunica dos recipientes con gas puede dejar o no que pase de una lado a otro en virtud del movimiento que tienen. De este modo se pueden obtener dos focos de calor a distinta temperatura (a partir de los cuales de puede extraer energía gratis) en lugar de dos recipientes termalizados con la misma temperatura. En este caso el conocimiento es poder (o al menos energía).
Así que, según este artículo, si eliminamos la incertidumbre cuántica tenemos que sacrificar el segundo principio de la Termodinámica.
La conclusión importante a la que llegan es que si se asume que se puede medir los estados de esas partículas de forma clásica entonces es posible la creación de máquinas imposibles (que violan el segundo principio) y por tanto la premisa de partida es falsa y el principio de incertidumbre es válido.
Todo físico serio querrá mantener el segundo principio de la Termodinámica a toda costa, aunque tenga que sacrificar su visión clásica del mundo y abrazar la MC. Quizás incluso Einstein lo hiciese si estuviera vivo. Al fin y al cabo, no siempre tuvo la razón en todo, aunque en el asunto de los supuestos neutrinos superlumínicos sí la tiene.

Copyleft: atribuir con enlace a http://neofronteras.com/?p=3862

Fuentes y referencias:
Artículo en ArXiv.

Salvo que se exprese lo contrario esta obra está bajo una licencia Creative Commons.
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6 Comentarios

  1. lluís:

    Lo que no acabo de entender es eso de que “las variables conjugadas momento y posición, no pueden ser consideradas como secuencias de información que codifiquen la misma partícula”.¿Quiere decir que según la información que se descodifique se tiene una partícula u otra?, ¿o estados diferentes de la misma partícula?.
    Por lo demas el estudio es interesante.Pero veo muy difícil llegar a tener barcos,para poner un ejemplo de máquina, que tomaran agua del mar, extrajeran su calor para mover los motores de la máquina, y arrojaran despues bloques de hielo al mar.

  2. NeoFronteras:

    Estimado Lluís:
    El articulo es obviamente muy técnico, se me escapa en su mayor parte y con metáforas y lenguaje normal a veces no es sencillo expicar este tipo de trabajos.
    En este trabajo los autores consideran las relaciones de incertidumbre en términos de estados. Usan relaciones de incertidumbre entrópicas y relaciones de incertidumbre de grano fino (para describir microestados de partículas), en este caso se pueden analizar las partículas en una receptáculos separados por membranas al estilo el diablillo de Maxwell. Como se puede conectar con la teoría de Shannon gracias a la entropía de ahí nos viene la teoría de información y los qbits.
    La conclusión importante a la que llegan es que si se asume que se puede medir los estados de esas partículas simultáneamente entonces es posible la creación de máquinas imposibles (que violan el segundo principio) y por tanto la premisa de partida es falsa y el principio de incertidumbre es válido.

    Se han realizado unos cambios en el texto para aclarar este punto.

    Por cierto, no hay tal barco.

  3. lluís:

    Pues esa aclaración me ha servido de bastante, para tener una idea más clara de lo que dice ese estudio.
    Gracias,Neo.
    Un saludo.

  4. tomás:

    Pues a mí me ha parecido muy convincente el artículo, hasta el punto de sumarme a esa pregunta de ¿cómo no se me ocurrió a mí antes?, claro que sólo humildemente, como corresponde a mi profundo desconocimiento. Pero, sin salirme de él, me pregunto ¿no será que esa violación de obtener energía de la nada es la causa última del principio de incertidumbre? En ese caso dejaría de ser principio para ser consecuencia, como sucedió al principio de Arquímedes.
    Un fuerte abrazo, “lluís” y Neo.

  5. lluís:

    Es más bien al revés tomás.Es debido al principio de incertidumbre que se puede obtener energía del vacio.Las particulas virtuales con su energía prestada (e incorrecta, puesto que si tuvieran una energía correcta, serían partículas reales)no podrían existir sin el principio de incertidumbre.El principio de incertidumbre posibilita la existencia de esas fantasmales particulas virtuales (aunque el hecho de que sean “fantasmales”, no impide que tengan efectos mesurables en las partículas reales, e incluso tales “fantasmas” devienen reales)siempre y cuando tengan una vida tan cortísima que no sea posible medir su brevisima duración, antes de reintegrar la energía que tomaron a préstamo (del vacio cuántico) a ese mismo vacio.
    Un abrazo,tomás.

  6. tomás:

    Querido amigo “lluís”:
    Desde tu 5, cada día he leído una vez el artículo y los comentarios y ni mucho menos pretendo ni tengo capacidad para contradecirte pero, ciertamente, el tercer párrafo del 2 de Neo me había hecho abrigar alguna esperanza; de ahí mi 4.
    Dices: “Es debido al principio de incertidumbre que se puede obtener energía del vacío”. En general, un principio se enuncia tras la observación de un fenómeno y no al revés. Ya sé que en este caso, la historia de la MC partió de algo que ahora podemos llamar elemental, superando primero el habernos dado cuenta de que la acción del observador influye en el resultado de la experiencia, salvando también la explicación de que no podemos conocer momento y posición simultáneamente debido a que, al detectar uno de ellos modificamos el otro, sino que es algo, al parecer mucho más intrínseco, como Neo nos explicaba hace unos cuantos artículos.
    Por ello pienso que la historia podría haber comenzado por la observación de que del vacío pueden obtenerse partículas inexplicables en tal momento y de ahí acabar deduciendo el principio. Pero creo que en este caso, como en el la multiplicación aritmética, el orden de los factores no altera el producto.
    Lo que me hace meditar es si cuando decimos “vacío” estamos diciendo “nada”. Creo que no. Posiblemente el vacío sea un vasto espacio que llegue tan lejos como sus efectos medibles o no. En él todavía existe un cierto campo gravitatorio, un mínimo campo electromagnético, por pequeños que puedan ser. La nada absoluta habría de estar infinitamente lejos. Para que se den esas fluctuaciones en tiempos infinitesimales, me parece que será preciso el vacío, no la nada.
    Ya ves, querido amigo, que no te tomo a humo de pajas. Cuanto dices es, para mí, importante.
    Un fuerte abrazo y gracias por tu magisterio. También para Neo.

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