p A produção de entropia, o que significa aumentar o grau de desordem em um sistema, é uma tendência inexorável no mundo macroscópico devido à segunda lei da termodinâmica. Isso torna os processos descritos pela física clássica irreversíveis e, por extensão, impõe uma direção ao fluxo do tempo. Contudo, a tendência não se aplica necessariamente ao mundo microscópico, que é governado pela mecânica quântica. As leis da física quântica são reversíveis no tempo, então, no mundo microscópico, não há direção preferencial para o fluxo dos fenômenos. p Um dos objetivos mais importantes da pesquisa científica contemporânea é saber exatamente onde ocorre a transição do mundo quântico para o mundo clássico e por que ocorre - em outras palavras, descobrir o que faz a produção de entropia predominar. Este objetivo explica o interesse atual em estudar sistemas mesoscópicos, que não são tão pequenos quanto átomos individuais, mas, no entanto, exibem um comportamento quântico bem definido.

p Um novo estudo experimental feito por pesquisadores do Brasil e de outros lugares oferece uma importante contribuição para este campo. Um artigo sobre isso foi publicado recentemente em Cartas de revisão física .

p "Estudamos dois sistemas:um condensado de Bose-Einstein com 100, 000 átomos confinados em uma cavidade e uma cavidade optomecânica que confina a luz entre dois espelhos, “Gabriel Teixeira Landi, professor do Instituto de Física da Universidade de São Paulo (IF-USP), contado.

p Landi foi um dos cientistas responsáveis ​​por desenvolver um modelo teórico correlacionando a produção de entropia com quantidades mensuráveis ​​para ambos os experimentos. A pesquisa tem apoio da Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo - FAPESP. O condensado de Bose-Einstein foi estudado no Instituto Federal Suíço de Tecnologia (ETH Zurique), e o dispositivo de optomecânica de cavidade foi estudado na Universidade de Viena, na Áustria.

p Freqüentemente chamado de "quinto estado da matéria" (os outros quatro sendo sólidos, líquidos, gases e plasma), Os condensados ​​de Bose-Einstein são obtidos quando um grupo de átomos é resfriado quase até o zero absoluto. Sob estas condições, as partículas não têm mais energia livre para se mover em relação umas às outras, e alguns deles entram nos mesmos estados quânticos, tornando-se indistinguíveis um do outro. Os átomos então obedecem às chamadas estatísticas de Bose-Einstein, que geralmente se aplicam a partículas idênticas. Em um condensado de Bose-Einstein, todo o grupo de átomos se comporta como uma única partícula.

p Uma cavidade optomecânica é basicamente uma armadilha de luz. Neste caso particular, um dos espelhos consistia em uma membrana nanométrica capaz de vibrar mecanicamente. Assim, o experimento envolveu interações entre luz e vibração mecânica. Em ambos os sistemas, havia dois reservatórios, um quente e outro frio, para que o calor pudesse fluir de um para o outro.

p “Ambas as situações exibiam assinaturas de algo irreversível e, portanto, demonstravam um aumento da entropia. Além disso, eles exibiram irreversibilidade como consequência dos efeitos quânticos, "Landi disse." Os experimentos permitiram que os efeitos clássicos fossem claramente distinguidos das flutuações quânticas.

p A principal dificuldade dessa linha de pesquisa é que a produção de entropia não pode ser medida diretamente. Nos experimentos em questão, Portanto, os cientistas tiveram que construir uma relação teórica entre a produção de entropia e outros fenômenos que sinalizam irreversibilidade e são diretamente mensuráveis. Em ambos os casos, eles escolheram medir os fótons que vazam das cavidades, tendo usado deliberadamente espelhos semitransparentes para permitir que alguma luz escapasse.

p Eles mediram o número médio de fótons dentro das cavidades e as variações mecânicas no caso do espelho vibratório.

p "As flutuações quânticas contribuíram para um aumento da irreversibilidade em ambos os experimentos, "Landi disse." Esta foi uma descoberta contra-intuitiva. Não é necessariamente algo que pode ser generalizado. Aconteceu nestes dois casos, mas pode não ser válido em outros. Vejo esses dois experimentos como um esforço inicial para repensar a entropia nesse tipo de plataforma. Eles abrem a porta para novas experiências com um número menor de átomos de rubídio ou cavidades optomecânicas ainda menores, por exemplo."

p Perda e desordem de informação

p Em um estudo teórico recente, Landi mostrou como as flutuações clássicas (vibrações de átomos e moléculas, produção de energia térmica) e flutuações quânticas podem ocorrer simultaneamente, sem necessariamente contribuir para os mesmos resultados. Esse estudo foi o precursor dos dois novos experimentos.

p "Tanto o condensado quanto a cavidade confinante da luz eram fenômenos mesoscópicos. No entanto, ao contrário de outros fenômenos mesoscópicos, eles tinham propriedades quânticas perfeitamente preservadas graças à proteção contra o meio ambiente. Elas, Portanto, desde situações controladas em que a competição de produção de entropia entre fenômenos clássicos e quânticos pode ser observada muito claramente, "Landi disse.

p "A entropia pode ser interpretada de várias maneiras. Se pensarmos em termos de informação, um aumento na entropia significa perda de informação. Do ponto de vista da termodinâmica, a entropia mede o grau de desordem. Quanto maior a entropia, quanto maior a desordem no sistema. Ao combinar essas duas visualizações, podemos obter uma compreensão mais abrangente do fenômeno. "

p Tanto o condensado de Bose-Einstein quanto a cavidade optomecânica são exemplos das chamadas "plataformas de simulação quântica". Essas plataformas permitem que os cientistas contornem um grande obstáculo ao avanço do conhecimento, porque existem sistemas importantes na natureza para os quais existem modelos descritivos, mas para os quais as previsões não podem ser feitas devido a dificuldades de cálculo. O exemplo mais famoso é a supercondutividade de alta temperatura. Ninguém entende como certos materiais podem se comportar como supercondutores no ponto de ebulição do nitrogênio líquido (aproximadamente -196 ° C).

p As novas plataformas fornecem dispositivos quânticos que podem simular esses sistemas. Contudo, eles fazem isso de maneira controlada, elimine todos os fatores complicadores, e concentre-se apenas nos fenômenos de interesse mais simples. "Essa ideia de simulação quântica se popularizou significativamente nos últimos anos. As simulações variam de moléculas importantes na medicina a estruturas-chave na cosmologia, "Landi disse.