Nella fisica contemporanea, uno dei confini più affascinanti e problematici riguarda l'applicazione delle leggi della termodinamica ai sistemi quantistici. Mentre la termodinamica classica, nata dall'osservazione dei cannoni nella Monaco del XVIII secolo e perfezionata durante la Rivoluzione Industriale, descrive con precisione il comportamento dell'energia nei sistemi macroscopici, la sua estensione al mondo subatomico continua a generare interrogativi fondamentali. Un gruppo di ricercatori dell'Università di Basilea, guidato dal professor Patrick Potts, ha recentemente proposto un nuovo framework teorico che potrebbe risolvere alcune di queste contraddizioni, ridefinendo concetti apparentemente elementari come "lavoro" e "calore" quando applicati alla luce laser intrappolata in cavità quantistiche.
Il cuore del problema risiede in una distinzione che diamo per scontata nel mondo macroscopico: quella tra lavoro, ovvero energia organizzata e utilizzabile per compiere operazioni utili, e calore, energia dispersa nel movimento disordinato delle particelle. "Nei sistemi quantistici, dove tutto è microscopico, questa distinzione non è più così chiara", spiega Aaron Daniel, dottorando coinvolto nella ricerca pubblicata su Physical Review Letters. Quando gli oggetti studiati sono singoli fotoni o atomi, le categorie concettuali ereditate dalla fisica del XIX secolo mostrano tutti i loro limiti.
L'approccio sperimentale del team svizzero si concentra su dispositivi chiamati risonatori a cavità, sistemi che intrappolano la luce laser tra due specchi permettendole di rimbalzare ripetutamente prima che una frazione riesca a fuoriuscire. La caratteristica distintiva della luce laser rispetto a quella prodotta da lampadine o LED risiede nella sua coerenza: le onde elettromagnetiche oscillano perfettamente sincronizzate, una proprietà quantistica fondamentale che può essere degradata quando la radiazione attraversa una cavità contenente atomi.
Max Schrauwen, studente di bachelor che ha partecipato allo studio, sottolinea che proprio la coerenza della luce in questi sistemi laser-cavità è stata il punto di partenza dei calcoli. Quando la luce laser interagisce con la materia all'interno della cavità, può perdere progressivamente questa sincronizzazione, trasformandosi da completamente coerente a parzialmente o totalmente incoerente. In termini termodinamici, questa transizione rappresenta un passaggio da uno stato ordinato a uno disordinato, analogo all'aumento di entropia descritto dalla seconda legge della termodinamica.
La proposta innovativa del gruppo di Basilea consiste nel ridefinire operativamente il concetto di lavoro nel contesto quantistico. I ricercatori hanno considerato l'esempio delle batterie quantistiche, dispositivi teorici che richiedono luce coerente per eccitare collettivamente gli atomi e immagazzinare energia. Un'ipotesi iniziale semplicistica suggerirebbe che la luce coerente in entrata compia lavoro, mentre quella incoerente in uscita rappresenti calore disperso. Tuttavia, la realtà fisica è più sottile: anche la radiazione parzialmente incoerente conserva una capacità residua di compiere lavoro, seppur ridotta rispetto alla luce perfettamente coerente.
Il framework teorico sviluppato dal team svizzero propone di contabilizzare come lavoro solo la componente coerente della luce in uscita dalla cavità, mentre la frazione incoerente viene classificata come calore. Questa ridefinizione, apparentemente tecnica, ha conseguenze profonde: con tale distinzione, entrambe le leggi fondamentali della termodinamica rimangono valide anche nel regime quantistico. La prima legge, che stabilisce la conservazione dell'energia totale in un sistema chiuso, e la seconda legge, che descrive l'aumento inevitabile dell'entropia (disordine) nel tempo, mantengono la loro validità, dimostrando la coerenza interna del nuovo approccio.
Le radici storiche di questa ricerca risalgono al 1798, quando Benjamin Thompson, ufficiale e fisico noto come Conte Rumford, osservò che i cannoni durante la foratura si riscaldavano continuamente. Quella semplice ma potente osservazione lo portò a concludere che il calore non fosse una sostanza fisica, ma potesse essere generato indefinitamente attraverso l'attrito meccanico. Gli esperimenti di Rumford, che cronometrò il tempo necessario perché l'acqua circostante i cannoni bollisse, gettarono le basi della termodinamica ottocentesca, disciplina cruciale per ottimizzare l'efficienza delle macchine a vapore durante la Rivoluzione Industriale.
Le implicazioni pratiche di questa ricerca si estendono ben oltre la fisica teorica. Daniel anticipa che il formalismo sviluppato potrà essere applicato a problemi più complessi nella termodinamica quantistica, un campo in rapida espansione che include tecnologie emergenti come le reti quantistiche per comunicazioni ultra-sicure e il calcolo quantistico. Comprendere come energia e informazione si trasformano nei sistemi quantistici è essenziale per progettare dispositivi che sfruttino le peculiarità della meccanica quantistica senza essere limitati dai vincoli termodinamici classici.
Inoltre, questo approccio potrebbe illuminare uno dei misteri fondamentali della fisica: come il comportamento classico, familiare e deterministico, emerga dal substrato quantistico probabilistico e controintuitivo. La transizione da coerenza a incoerenza nei sistemi ottici rappresenta un caso di studio ideale per investigare il confine tra questi due regimi, contribuendo al dibattito sulla decoerenza quantistica e sulla misurazione, temi centrali nell'interpretazione della meccanica quantistica.
