El demonio de Maxwell sigue en pie: la teoría cuántica no lo exorciza, pero tampoco lo necesita
La teoría cuántica y la termodinámica, dos pilares fundamentales de la física, parecen coexistir en una armonía inesperada. Un nuevo estudio revela que, aunque la mecánica cuántica podría desafiar la segunda ley de la termodinámica, en la práctica, no es necesario que lo haga.
Por Enrique Coperías
No hay exorcismo cuántico para el demonio de Maxwell (pero no lo necesita): la paradoja del demonio de Maxwell sugiere que un ser hipotético podría reducir la entropía de un sistema separando moléculas según su velocidad sin gastar energía, aparentemente violando la segunda ley de la termodinámica. Un estudio viene a decir que la teoría cuántica es, desde un punto de vista lógico, independiente de la segunda ley de la termodinámica, y puede violarla simplemente porque “no la conoce”. Imagen generada con DALL-E
Investigadores de la Universidad de Nagoya, en Japón, y de la Academia Eslovaca de Ciencias han sido protagonistas de un descubrimiento pionero que arroja nueva luz sobre la interacción entre la teoría cuántica y la termodinámica. El equipo demostró que, aunque la teoría cuántica no prohíbe explícitamente las violaciones de la segunda ley de la termodinámica, los procesos cuánticos pueden ejecutarse sin infringirla.
De forma resumida, podemos decir que la teoría cuántica describe el comportamiento de las partículas subatómicas, donde conceptos como la superposición, la dualidad onda-partícula y la incertidumbre desafían la intuición clásica. Por otro lado, la termodinámica estudia el calor, la energía y el trabajo en sistemas macroscópicos, con principios fundamentales como la segunda ley, que establece que la entropía de un sistema aislado siempre tiende a aumentar.
Aunque parecen disciplinas independientes, su interacción plantea preguntas fundamentales sobre los límites del orden y el caos en el universo, especialmente en el ámbito de la computación cuántica y los sistemas físicos a nanoescala.
El desorden nunca disminuye de manera espontánea
El nuevo hallazgo, publicado en npj Quantum Information, destaca una coexistencia armoniosa entre ambos marcos teóricos, pese a su aparente independencia lógica. Sus conclusiones abren nuevas perspectivas para comprender los límites termodinámicos de las tecnologías cuánticas, como la computación cuántica y los motores a nanoescala.
Este avance se suma a la larga exploración de la segunda ley de la termodinámica, un principio considerado uno de los más fundamentales y enigmáticos de la física. Esta ley establece, como ya se ha mencinado, que la entropía, medida del desorden en un sistema, nunca disminuye de manera espontánea. Además, afirma que un motor que opera cíclicamente no puede generar trabajo mecánico extrayendo calor de un único entorno térmico y subraya la direccionalidad del tiempo.
A pesar de su relevancia, la segunda ley sigue siendo objeto de debate y desafíos conceptuales. En el centro de esta discusión se encuentra la paradoja del demonio de Maxwell, un experimento mental propuesto por el matemático británico James Clerk Maxwell en 1867. Maxwell imaginó un ser hipotético capaz de separar moléculas rápidas y lentas de un gas en equilibrio térmico sin realizar un gasto de energía.
Una paradoja diabólica
Al hacerlo, generaría una diferencia de temperatura y, al volver al equilibrio, se podría extraer trabajo mecánico, lo que parecería contradecir la segunda ley de la termodinámica.
Esta paradoja ha desconcertado a los físicos por más de un siglo, y plantea interrogantes sobre la universalidad de la ley y el papel del conocimiento y la información en la termodinámica. Las soluciones propuestas han tratado al demonio como un sistema físico sujeto a las mismas leyes. Una de estas soluciones plantea que la memoria del demonio debe borrarse, lo que requiere un gasto de energía y, en consecuencia, restablece la validez de la segunda ley.
Para profundizar en este fenómeno, los investigadores desarrollaron un modelo matemático de un motor demoníaco, un sistema impulsado por el demonio de Maxwell. Su metodología se basa en la teoría de los instrumentos cuánticos, un marco desarrollado en las décadas de 1970 y 1980 para describir las formas más generales de medición cuántica.
Un demonio que trabaja en tres fases
El modelo consta de tres fases: el demonio mide un sistema objetivo, extrae trabajo acoplándolo a un entorno térmico y, finalmente, borra su memoria interactuando con el mismo entorno. A partir de este marco, el equipo derivó ecuaciones precisas para el trabajo realizado por el demonio y el trabajo extraído, expresadas en términos de medidas de información cuántica, como la entropía de von Neumann y la ganancia de información de Groenewold-Ozawa.
De forma resumida, la entropía de von Neumann puede definirse como una medida de desorden y pérdida de información en sistemas cuánticos, análoga a la entropía en termodinámica clásica, mientras que la ganancia de información de Groenewold-Ozawa cuantifica cuánto conocimiento se obtiene al medir un sistema cuántico, afectando su evolución y el equilibrio entre información y entropía.
Al comparar estas ecuaciones, los investigadores llegaron a una conclusión sorprendente.
«Nuestros resultados demostraron que, en ciertas condiciones permitidas por la teoría cuántica, incluso contabilizando todos los costes, el trabajo extraído puede superar el trabajo gastado, lo que aparentemente viola la segunda ley de la termodinámica —explica Shintaro Minagawa, investigador principal del proyecto, en un comunicado de la Universidad de Nagoya. Y añade—: Este hallazgo desafía la suposición de que la teoría cuántica es intrínsecamente a prueba de demonios. Existen rincones ocultos en el marco donde el demonio de Maxwell aún podría operar».
En 2019, un equipo de investigadores del Trinity College de Dublín y la Universidad de Maguncia desarrollaron el motor más pequeño del mundo hasta ese momento: el motor a nanoescala, un ion 40Ca+ atrapado, era aproximadamente 10.000 millones de veces más pequeño que el motor de un automóvil. Cortesía: John Goold / Trinity College Dublin.
La mecánica cuántica y la termodinámica, son conflictos
No obstante, los investigadores enfatizan en que estos casos no representan una amenaza real para la segunda ley. «Nuestro trabajo demuestra que, a pesar de estas aparentes vulnerabilidades teóricas, cualquier proceso cuántico puede diseñarse para cumplir con la segunda ley —sostiene Hamed Mohammady, del Instituto de Física de la Academia Eslovaca de Ciencia. Y añade—. En otras palabras, aunque la teoría cuántica podría permitir violaciones, no es necesario que estas ocurran en la práctica».
En palabras de Mohammady, «esto revela una notable armonía entre la mecánica cuántica y la termodinámica: operan de forma independiente, pero nunca fundamentalmente en conflicto».
Francesco Buscemi, de la Universidad de Nagoya, complementa esta idea: «Uno de los aspectos clave que demostramos es que la teoría cuántica es, desde un punto de vista lógico, independiente de la segunda ley de la termodinámica. Puede violarla simplemente porque no la conoce». Y puntualiza—: Sin embargo, lo más sorprendente es que cualquier proceso cuántico puede ejecutarse sin violar la segunda ley si se incorporan sistemas adicionales hasta restablecer el equilibrio termodinámico».
Más allá de la física teórica
Sin duda alguna, las implicaciones de este estudio trascienden la física teórica. Al explorar los límites termodinámicos de los sistemas cuánticos, se sientan las bases para innovaciones en computación cuántica y motores a nanoescala.
Este descubrimiento también sugiere que la segunda ley no impone restricciones estrictas a las mediciones cuánticas: cualquier proceso permitido por la teoría cuántica puede realizarse sin transgredir los principios termodinámicos.
Al refinar nuestra comprensión de esta relación, los investigadores esperan desbloquear nuevas posibilidades tecnológicas al tiempo que preservan los principios fundamentales de la termodinámica. ▪️
Información facilitada por la Universidad de Nagoya
Fuente: Minagawa, S., Mohammady, M.H., Sakai, K. et al. Universal validity of the second law of information thermodynamics. npj Quantum Inf (2025). DOI: https://doi.org/10.1038/s41534-024-00922-w
