Secondo i fisici, è possibile superare la seconda legge della termodinamica nel regno quantistico.

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Redazione del sito web di Innovazione Tecnologica - 07/11/2025

Motore quantistico a due oscillatori, che i due fisici sostengono sia possibile costruire su scala atomica. [Immagine: Milton Aguilar et al. - 10.1126/sciadv.adw8462]

Termodinamica quantistica

Il dibattito sull'esistenza, o meno, della termodinamica quantistica ha entusiasmato i fisici perché la questione ha implicazioni molto ampie, che vanno dalla costruzione di batterie quantistiche a motori su scala atomica con un'efficienza imbattibile.

Milton Aguilar ed Eric Lutz, dell'Università di Stoccarda in Germania, sostengono ora di avere la prova matematica che la meccanica quantistica supera la seconda legge della termodinamica su scala atomica.

L'effetto è spettacolare: proprio come un computer quantistico può dimostrare supremazia quantistica, risolvendo problemi che sono impraticabili per un computer classico, allo stesso modo potrebbe esserci supremazia per i motori, ad esempio, semplicemente costruendo motori che sfruttano le proprietà della meccanica quantistica.

Nello specifico, i due ricercatori affermano di aver dimostrato che il principio di Carnot , una legge centrale della termodinamica, non si applica agli oggetti su scala atomica, le cui proprietà fisiche sono collegate da fenomeni che esistono solo nel regno quantistico. Questi oggetti, noti come particelle correlate, condividono proprietà senza dover scambiare alcuna informazione: è il caso delle particelle associate dall'entanglement quantistico.

Se le prove presentate dai due scienziati saranno confermate, sarà di nuovo possibile costruire motori quantistici, macchine su scala atomica dotate di assoluta efficienza.

"Motori minuscoli, delle dimensioni di un singolo atomo, potrebbero diventare realtà in futuro", ha affermato Lutz. "È ormai evidente che questi motori possono raggiungere un'efficienza di picco superiore rispetto ai motori termici più grandi".

Regimi operativi di motori correlati, ovvero che condividono proprietà attraverso l'entanglement quantistico. A seconda del valore del rapporto tra contributi termici e non termici, i motori correlati possono produrre lavoro convertendo calore (regime termico) o risorse entropiche, come le correlazioni (regime non termico). [Immagine: Milton Aguilar et al. - 10.1126/sciadv.adw8462]

Supremazia della meccanica quantistica

Nel 1824, il fisico francese Nicolas Léonard Sadi Carnot (1796-1832) calcolò la conversione ideale del calore in lavoro, stabilendo un limite superiore per l'efficienza con cui il calore può essere convertito in lavoro, o viceversa, sottoponendo un sistema chiuso a cicli di temperature e pressioni diverse.

Tra questi rientrano i motori a combustione interna e le turbine a vapore, che sono motori termici, che convertono il calore in movimento o, più precisamente, l'energia termica in movimento meccanico.

La domanda è se, man mano che i motori diventano miniaturizzati (hanno già raggiunto la scala microscopica), dovranno sempre obbedire al principio di Carnot oppure se si libereranno da questo obbligo e mostreranno un " vantaggio quantico ".

"Carnot dimostrò che la differenza di temperatura ha un'influenza decisiva: maggiore è la differenza tra caldo e freddo, maggiore è l'efficienza massima possibile di un motore termico. Tuttavia, il principio di Carnot trascura l'influenza delle cosiddette correlazioni quantistiche. Si tratta di legami speciali che si formano tra particelle su scala molto piccola."

"Per la prima volta, abbiamo derivato leggi generalizzate della termodinamica che tengono pienamente conto di queste correlazioni. I nostri risultati mostrano che i motori termici operanti su scala atomica possono convertire non solo il calore, ma anche le correlazioni in lavoro. Di conseguenza, possono produrre più lavoro e l'efficienza di un motore quantistico può superare il tradizionale limite di Carnot", hanno scritto i due fisici.

Prudenza e pazienza

Il lavoro dei due fisici è appena stato pubblicato, il che significa che altri esperti hanno già trovato valide le conclusioni. Ma forse questo non è ancora sufficiente per dare la parola definitiva sulla questione.

Nel caso non abbiate seguito l'argomento, dovreste sapere che nel 2023 altri due fisici hanno pubblicato un articolo in cui concludevano che non esiste una "seconda legge dell'entanglement", un equivalente quantistico della seconda legge della termodinamica .

Tuttavia, meno di un anno dopo, la stessa coppia trovò delle falle nel proprio lavoro, che li portarono a pubblicare un altro articolo con la conclusione opposta, ovvero che la termodinamica quantistica esiste davvero .

Nel frattempo, poco più di due mesi fa, un altro team ha trovato un altro modo per rafforzare quest'ultima conclusione, ovvero che esiste una legge analoga alla seconda legge della termodinamica per il mondo quantistico . E lo hanno fatto utilizzando proprio l'entanglement quantistico, che i fisici ritenevano irreversibile.

Pertanto, potrebbe essere più prudente attendere i prossimi capitoli di questa discussione quantistica.

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