SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA

RETHINKING THE II LAW OF  THERMODYNAMICS : QUANTIC  POINT OF VIEW

From quantamagazine

The second law of thermodynamics states that "the total entropy of an isolated system never decreases over time". In all spontaneous processes, nature allows the flow from  heat states to → cold, never the other way around. That is so, because heat always moves to increase entropy. Total entropy always increases. However, this seemingly unchanging Second Law,  established by physicists such as Joule, Kelvin, Carnot and others, just observing external processes (in balloons, steam engines), that  occurred on a large scale, ignoring what was happening at  level of atomic particles, issuing judgments (laws), in a holistic way. A recent experiment performed on atomic particles has shown an exception to this rule: the flow from a cold body to a hot one, violating the second law of thermodynamics, a phenomenon explained  now by quantum mechanisms, folllowing the same principles of the so called time’s arrow.  Thus, some quantum systems would have a mechanism to introduce exceptions to this seemingly inviolable rule, underlining the intimate relationship between: information-entropy-energy, as explained by the nascent science of quantum thermodynamics. The team of RobertoSerra (Federal University ABC of Sao Paulo, Brazil), aligned the spins of a C atom, one of H and 3 chlorides, with  a magnetic field causing both nuclei to join and be correlated (an inseparable whole : two-qubit quantumstate), a state with bizarre behaviors. A two-qubit system can be in 1 of 4 possible states: 00, 01, 10 and 11, its entropy being defined by the probability of being in each of these states. By comparing the entropy of unique qubits with the entropy of a correlated system, physicists have realized that it is possible to measure the amount of correlation. Experiments in this regard always start with 2 strongly correlated particles and as the experiment progresses, the particles gradually disintegrate,  the correlation weakens and the sum of the entropies decreases. If the total entropy suddenly decreases in an uncorrelated regular system, it would violate the second law. When the correlation is weak, it is possible that we are observing a reversed  entropic state,  one in which the heat of the cold state is directed to the hot state, in which  case   the cold qubit is colder and the hot one warmer, a  phenomenon explained by interrelations and negotiations between correlations and entropy. Some physicists postulate that in these cases -at least in isolated systems- the arrow of time would  follow a reverse route. Although this effect had already been predicted, it is the first time that the reversal is achieved in a physical system. In 2012, researchers from ESPCI ParisTech and CNRS in France induced water waves to retrace their original path. Some physicists would try to build a large-scale thermo-quantum machine to backward explore the origin of the universe and answer the question of why the universe started in a low entropy state. allowing entropy to increase through the history of the cosmos, following the arrow of time.

REPENSANDO LA II LEY DE LA TERMODINÁMICA: PUNTO DE VISTA CUANTICO

La segunda Ley de la termodinámica establece que “la entropía total de un sistema aislado nunca disminuye con el tiempo”. En todos los procesos espontáneos, la naturaleza permite el flujo de estados de calor a → fríos, nunca al revés. Es así, porque el   calor siempre se moviliza para incrementar la entropía.  La entropía total siempre aumenta, irreversiblemente. No obstante, esta aparentemente inmutable segunda Ley, fue establecida por físicos como:   Joule, Kelvin, Carnot y otros, apenas observando  procesos externos en globos, máquinas de vapor, que ocurrían a gran escala, ignorando lo que ocurría a nivel de las partículas atómicas, emitiendo juicios (leyes), holísticos. Un experimento reciente realizado en partículas atómicas ha demostrado una excepción a la regla: el flujo de un cuerpo frió hacia otro caliente, violando la segunda ley de la termodinámica, fenómeno explicado por mecanismos cuánticos, ley responsable -según algunos físicos- del flujo unidireccional del tiempo. Así, algunos sistemas cuánticos tendrían un mecanismo para introducir excepciones a esta regla aparentemente inviolable, subrayando la íntima relación entre: información-entropía-energía, según lo explica la naciente ciencia de la termodinámica cuántica. El equipo de Roberto Serra (Federal University ABC of Sao Paulo,Brazil), alineo los spins de un átomo de C, uno de H y de  3 cloruros, mediante un  campo magnético causando que ambos núcleos se unan y quedaran correlacionados (un  todo inseparable: two-qubit quantum state), un estado con   conductas bizarras.  Un sistema two-qubit puede estar en 1 de 4 estados posibles:  00, 01, 10 and 11, siendo su entropía definida por la probabilidad de estar en cada uno de estos estados. Comparando la entropía de qubits únicos con la   entropía de un sistema correlacionado, los físicos han caído en la  cuenta de que es posible medir la cantidad de correlación.  Los experimentos al respecto se inician con 2 partículas fuertemente correlacionadas y, a medida que el experimento progresa las partículas gradualmente se desunen,  la correlación se debilita y la suma de las entropías disminuye.   Si la entropía total disminuye súbitamente en un sistema regular no correlacionado, violaría la segunda ley. Cuando la correlación es débil, es posible que estemos observando un estado entrópico en reversa,  en el que el calor del estado frio es dirigido al  caliente,  condicionante de  que el    qubit frío sea más frío y el caliente, más caliente. Un fenómeno explicado por las interrelaciones y negociaciones entre las correlaciones y la entropía.  Algunos físicos postulan que al menos en sistemas aislados, la flecha del tiempo en estos casos también seguiría una ruta inversa.  Aunque este efecto ya había sido predicho, es la primera vez que la reversión se logra en un sistema físico. En el 2012, investigadores del ESPCI ParisTech and CNRS in France indujeron a ondas de agua a retrazar su vía original.  Algunos físicos intuyen construir una maquina termo-cuántica a gran escala para explorar vía retroceso  el origen  del universo y responder a  la pregunta de porque el universo se inició en un   estado de baja entropía. permitiendo que la entropía se incremente a través de la historia del cosmos, siguiendo la flecha del tiempo.