Até a Física Quântica Obedece à Lei da Entropia

Pesquisadores da TU Wien demonstram que, com a definição correta, os sistemas quânticos seguem o mesmo caminho de desordem previsto pela termodinâmica clássica.

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Em 18 de fevereiro de 2025, uma equipe de pesquisadores da Universidade de Tecnologia de Viena, liderada por Florian Meier, apresentou evidências surpreendentes de que, ao adotarmos uma definição adequada de entropia, os sistemas quânticos também exibem um aumento de desordem com o tempo – exatamente como prevê a segunda lei da termodinâmica. Essa descoberta não só reforça os princípios clássicos da termodinâmica, mas também abre novas perspectivas para a aplicação de conceitos quânticos em tecnologias emergentes.

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Entropia Clássica vs. Entropia Quântica

A entropia, frequentemente associada à ideia de “desordem”, é uma medida quantitativa que pode ser descrita por meio de equações matemáticas. No mundo clássico, ela determina, por exemplo, como uma caixa de bolas organizadas se transforma em um arranjo caótico após ser agitada. No entanto, no universo quântico, as regras mudam:

• Entropia de von Neumann: Permanece constante se o sistema estiver descrito com informações completas.
• Entropia de Shannon: Relacionada à incerteza e aos resultados probabilísticos das medições, pode aumentar, refletindo a “surpresa” ou a imprevisibilidade dos eventos quânticos.

Dica de leitura: Ao associar a medição de observáveis à entropia de Shannon, a equipe demonstrou que mesmo sistemas quânticos isolados evoluem para estados de maior desordem.

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Como a Medição Define a Desordem

Na física quântica, nunca temos acesso a informações completas de um sistema. Sempre que medimos uma propriedade – como a posição ou velocidade de uma partícula – o resultado é inerentemente incerto. Essa incerteza é justamente o que a entropia de Shannon quantifica. Conforme o tempo passa, as medições em um sistema quântico isolado tornam-se mais imprevisíveis, levando a um aumento gradual da entropia, tal como ocorre em sistemas clássicos. Essa abordagem permite reconciliar a teoria quântica com a termodinâmica, definindo uma “direção do tempo” baseada na evolução da desordem.

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Implicações para Tecnologias e Pesquisas Futuras

Embora para sistemas quânticos com poucas partículas – como um átomo isolado – as diferenças entre as definições de entropia possam parecer irrelevantes, o cenário muda drasticamente quando lidamos com sistemas de muitas partículas. Essa nova compreensão é crucial para o desenvolvimento de:

• Tecnologias quânticas: Computação quântica, sensores de alta precisão e criptografia quântica podem se beneficiar dessa nova abordagem para gerenciar a entropia e a informação.
• Pesquisas interdisciplinares: A junção entre a termodinâmica e a mecânica quântica abre caminhos para a criação de modelos que explicam a evolução do universo, desde a formação de estruturas complexas até o seu eventual destino.

Como ressaltou o professor Marcus Huber, coordenador da equipe, “é essencial reconectar os conceitos clássicos com a realidade quântica para avançarmos tanto na física teórica quanto nas aplicações práticas.”

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A pesquisa realizada pela equipe da TU Wien evidencia que, quando usamos a definição apropriada de entropia – neste caso, a entropia de Shannon – até mesmo os sistemas quânticos obedecem à segunda lei da termodinâmica, evoluindo de estados de baixa entropia para estados mais desordenados. Essa descoberta não só reforça a consistência dos princípios físicos universais, mas também estabelece a base para inovações tecnológicas que poderão revolucionar a maneira como lidamos com sistemas complexos.

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Fontes e Referências:

• Artigo: Emergence of a Second Law of Thermodynamics in Isolated Quantum Systems – Florian Meier et al., PRX Quantum, Vol. 6, 010309. DOI: 10.1103/PRXQuantum.6.010309
• Imagens: TU Wien; Florian Sterl/Sterltech Optics; Melvin M. Vopson et al.

Descubra como a física quântica, quando analisada com a definição adequada de entropia, confirma a segunda lei da termodinâmica – uma revelação que une o mundo quântico à desordem clássica.