A teoria quântica, também chamada de mecânica quântica, é uma área da física que estuda o comportamento dos átomos e partículas subatômicas, a fim de descrever fenômenos que não podem ser explicados apenas pela física clássica. A segunda lei da termodinâmica estabelece que a entropia de um sistema isolado tende a aumentar, uma reação que determina a direção natural dos processos físicos.
A entropia é um conceito que mede o grau de desordem e dispersão da energia em um sistema. Ou seja, quanto maior a entropia, mais distribuída e menos organizada é a energia. Um bom exemplo é o gelo: quando está no freezer, suas moléculas estão organizadas em uma estrutura cristalina, em um estado de baixa entropia. Ao ser retirado do congelador, ele absorve energia térmica do ambiente e aumenta a desorganização do sistema, em um estado de maior entropia.
Apesar de a física quântica e a segunda lei da termodinâmica serem relacionadas, pode parecer que a entropia não segue a mesma regra nesse contexto. Na mecânica quântica, a entropia de um sistema parece permanecer constante do ponto de vista matemático, o que sugere uma aparente contradição.
De acordo com um estudo publicado na revista científica PRX Quantum, um grupo de pesquisadores da Universidade Técnica de Viena (TU Wien), na Áustria, propuseram um conceito que equilibra as leis da física quântica com as da termodinâmica, sem gerar nenhum tipo de contradição.
“A entropia é uma medida de se um sistema está em um estado especial e muito particular, caso em que o sistema tem baixa entropia, ou se está em um dos muitos estados que parecem mais ou menos os mesmos, caso em que tem alta entropia”, disse o professor do Instituto de Física Atômica e Subatômica da TU Wien, Marcus Huber, em um comunicado oficial.
Os cientistas mostraram que a aparente contradição entre a termodinâmica e a mecânica quântica depende da forma como a entropia é definida. Sob certas abordagens matemáticas, a entropia em sistemas quânticos parece constante, mas eles explicam que ela pode ser descrita de uma maneira que preserve sua compatibilidade com a segunda lei da termodinâmica.
O que é a entropia?
Em termos técnicos, a entropia é uma medida da dispersão da energia em um sistema e da irreversibilidade dos processos termodinâmicos: o físico alemão Rudolf Clausius cunhou o termo em 1850 para descrever a tendência natural dos sistemas ao aumento da desordem. A comunidade científica também a define como um indicador da aleatoriedade ou do grau de desorganização molecular em um sistema.
Ao desenvolver o conceito, Clausius percebeu que os sistemas isolados tendem naturalmente a evoluir para estados de maior desordem, refletindo a irreversibilidade dos processos termodinâmicos. O termo está diretamente ligado à segunda lei da termodinâmica, que estabelece que a entropia de um sistema isolado sempre aumenta ou, no mínimo, permanece constante.
Imagine que você preparou uma caneca café quente e o deixou sobre uma mesa. Inicialmente, a temperatura do café é maior que a do ambiente, e sua energia térmica está mais concentrada. Com o tempo, o calor se transfere do café para o ar ao redor, o que aumenta a dispersão da energia. Esse processo é irreversível e leva ao aumento da entropia do sistema (café + ambiente). Quando o café atinge a temperatura ambiente, o sistema atinge um estado de equilíbrio térmico, onde a entropia é máxima e não há mais fluxo de calor no líquido.
Na ciência, além de descrever a dispersão da energia térmica e a aleatoriedade em um sistema, a entropia é usada para identificar processos irreversíveis. Voltando ao exemplo do gelo: ao colocá-lo sobre uma superfície quente, ele derrete e pode se transformar em vapor, aumentando a entropia. Mas por que esse processo é irreversível? Porque a água não retorna espontaneamente ao estado sólido.
“Para fornecer uma medida quantitativa para a direção da mudança espontânea, Clausius introduziu o conceito de entropia como uma maneira precisa de expressar a segunda lei da termodinâmica. A forma de Clausius da segunda lei afirma que a mudança espontânea para um processo irreversível em um sistema isolado (isto é, um que não troca calor ou trabalho com seus arredores) sempre procede na direção do aumento da entropia”, a enciclopédia Britannica descreve.
Entropia, teoria quântica e termodinâmica
Segundo pesquisadores do estudo, associar a entropia à ‘desordem’ não é totalmente preciso, pois o conceito de desordem é subjetivo. Afinal, a entropia pode ser descrita de forma rigorosa por meio de modelos matemáticos. Um dos autores, Max Lock, explica que esse conceito pode até ajudar a definir a direção do tempo, já que no passado a entropia era muito menor e aumentou significativamente até o presente.
Na teoria quântica, a entropia não se comporta como o esperado, pois permanece a mesma tanto no avanço quanto no retrocesso do tempo: esse conceito é conhecido como entropia de von Neumann. Isso significa que ela não poderia ser usada para definir a direção temporal.
Porém, a equipe destaca um ponto essencial: não é preciso medir o sistema inteiro, pois é possível analisar uma característica específica e investigar sua entropia. No sistema como um todo, a entropia pode até não ser evidente, mas ao focar em uma propriedade particular, ela pode se manifestar. Esse tipo é chamado de entropia de Shannon.
“Se houver apenas um resultado de medição possível que ocorra com 100% de certeza, então a entropia de Shannon é zero. Você não ficará surpreso com o resultado, não aprenderá nada com ele. Se houver muitos valores possíveis com probabilidades igualmente grandes, então a entropia de Shannon é grande”, disse um dos coautores do estudo, Florian Meier, associado da TU Wien.
A pesquisa confirma que a segunda lei da termodinâmica também se aplica a sistemas quânticos isolados. Os resultados mostram que, se um sistema começa com baixa entropia de Shannon, esse valor cresce até atingir um limite máximo, refletindo a tendência natural ao aumento da desordem. Os cientistas explicam que para observar esse comportamento, é essencial formular as perguntas corretas e utilizar uma definição apropriada de entropia, considerando as particularidades da mecânica quântica.
A entropia é um conceito central na termodinâmica, pois descreve a tendência natural dos sistemas ao aumento da desordem. No cosmos, esse crescimento irreversível da entropia sugere um destino inevitável. Quer saber mais? Aproveite para compreender o que é, o emaranhamento quântico de uma forma simples . Até a próxima!