Desmascarando o Mito da Entropia Quântica – Como a Desordem Inevitavelmente Prevalece

Os sistemas quânticos podem se tornar mais desordenados, como a termodinâmica previa? Sim, eles podem – se uma definição adequada de “entropia” for usada. Crédito: TU Wien

Pesquisadores da TU Wien resolveram um paradoxo de longa data na entropia quântica, provando que mesmo em sistemas quânticos isolados, a desordem aumenta naturalmente, alinhando a mecânica quântica com a termodinâmica.

A segunda lei da termodinâmica afirma que a entropia — desordem — sempre aumenta em um sistema fechado. Isso explica por que o gelo derrete e por que vasos quebrados não se remontam. No entanto, a física quântica parece contradizer isso, pois os cálculos tradicionais sugerem que a entropia permanece constante.

Ao redefinir a entropia de uma forma consistente com a mecânica quântica, os pesquisadores descobriram que a desordem, de fato, aumenta. Sistemas inicialmente ordenados se tornam mais caóticos ao longo do tempo, assim como na física clássica.

Entropia e Direção do Tempo

A entropia é frequentemente associada à desordem, mas na verdade mede se um sistema está em um estado raro e específico (baixa entropia) ou em um dos muitos estados semelhantes (alta entropia). “Isso define a flecha do tempo”, explica Max Lock (TU Wien). “O passado tem menor entropia, enquanto o futuro tem maior entropia.” No entanto, o trabalho de John von Neumann sugeriu que a entropia quântica permanece inalterada, fazendo o tempo parecer reversível.

“Mas isso ignora um detalhe importante”, diz Tom Rivlin (TU Wien). “Na física quântica, nunca podemos conhecer completamente um sistema. Podemos medir propriedades como posição ou velocidade, mas apenas como probabilidades, nunca com certeza.” Essa imprevisibilidade deve ser fatorada nos cálculos de entropia.

Ao contrário da entropia de von Neumann, a entropia de Shannon é responsável pela incerteza da medição. “Ela reflete quanta informação obtemos de uma observação”, diz Florian Meier (TU Wien). “Se um resultado é certo, a entropia de Shannon é zero. Se vários resultados são igualmente prováveis, ela é alta.”

A Desordem Quântica Sempre Aumenta

Os pesquisadores provaram matematicamente e por meio de simulações que a entropia de Shannon em um sistema quântico fechado aumenta até se estabilizar em um máximo — exatamente como a termodinâmica clássica prevê. Com o tempo, as medições se tornam menos previsíveis, reforçando a segunda lei da termodinâmica.

Para sistemas de partículas únicas, esse efeito é insignificante. Mas em sistemas quânticos complexos — como aqueles usados ​​na computação quântica — reconciliar a mecânica quântica com a termodinâmica é crucial. “Esta pesquisa estabelece as bases para futuras tecnologias quânticas”, conclui Huber.

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