Violaciones parciales a la Segunda Ley de la Termodinámica

n su libro “The Nature of the Physical World” (La Naturaleza del Mundo Físico) publicado en 1927, el físico Sir Arthur Eddington afirmo al referirse a la Segunda Ley de la Termodinámica, que: “La ley que establece que la entropía siempre se incrementa; se mantiene, yo pienso, en la posición suprema entre todas las leyes de la naturaleza”. Con esto Sir Eddington afirmaba que las observaciones experimentales podrían en algún momento violar las leyes del electromagnetismo de Maxwell, o las leyes del movimiento de Newton, pero nunca la Segunda Ley de la Termodinámica.

Efectivamente, la Segunda Ley de la Termodinámica es crucial en la evolución de nuestro universo y en la evolución de todos los procesos que en él ocurren. Se ha formulado de diferentes maneras, una forma bastante intuitiva es la siguiente: “El calor siempre fluye de los cuerpos calientes a los fríos y nunca a la inversa”. Esto es: “El calor nunca fluye espontáneamente de un cuerpo frio a uno caliente”. Otra forma de formular esta ley es haciendo referencia al concepto de entropía que podemos interpretar como una medición del desorden de un sistema, en este caso la Segunda Ley de la Termodinámica, dice: “La entropía de todo sistema siempre se incrementa”. Una consecuencia de este principio es que de modo natural define el concepto de tiempo, pues el tiempo siempre fluye en la dirección del incremento de entropía. Por ejemplo, cuando vemos una película proyectada “al revés” en donde un clavadista salta del agua para llegar a un trampolín, o los trozos de un plato roto en el piso se reúnen para saltar a las manos de quien lo sostiene y lo dejó caer. Sabemos que eso en la realidad es imposible y que el tiempo en esas películas esta yendo para atrás. La segunda ley de la termodinámica define la dirección de todos los procesos naturales del universo y es considerada como inviolable. Como se ha mencionado, esta Ley se puede expresar de varias maneras, tres de las más comunes son la dada por Rudolf Clausius en 1854, por Lord Kelvin en 1851 y por Constantin Carathéodory en 1909, todas tienen con común el señalar la imposibilidad da algunos procesos. Una de las consecuencias más importantes de esta Ley es que prohíbe la existencia de máquinas de movimiento perpetuo.

Recientemente se reportó (ver, A. Rivas, M. A. Martin. Topological Heat Transport and Symmetry-Protected Boson Currents. Scientific Reports, 2017; 7 (1)) una violación a la Segunda Ley de la Termodinámica en un sistema cuántico teórico conocido como una “Latice de Hofstadter”. Esta violación parcial no tiene equivalente en la física clásica. Una latice de Hofstadter es un modelo teórico de una red cuadrada bidimensional a través de la cual partículas cuánticas como electrones o fotones circulan. Siendo un modelo teórico no existe un equivalente real, lo más cercano en el mundo real sería una estructura de grafeno. Este sistema teórico permite la existencia de corrientes en la orilla de su estructura, pero no en su interior. En el artículo mencionado se estudian las propiedades termodinámicas del sistema colocándolo en presencia de dos fuentes de calor, una fría y una caliente. En el artículo, partiendo de un planteamiento cuántico se obtienen las ecuaciones dinámicas que modelan al sistema. Sorprendentemente los resultados teóricos muestran que en la orilla del material se induce una corriente que fluye de la fuente fría a la caliente contradiciendo claramente la Segunda Ley de la Termodinámica. Sin embargo, se trata de una violación parcial pues cuando se toma en cuenta la totalidad de la latice la Segunda Ley se cumple.

Ahora se trabaja en la implementación experimental de este sistema. Se considera que estos aparatos conducirán a aplicaciones actualmente ni siquiera imaginadas en dispositivos cuánticos y fotónicos.