Il Secondo Principio della Termodinamica: Entropia e la sua Applicazione nel Mondo Quantistico

L’entropia è uno dei concetti fondamentali della termodinamica, ma non si limita a spiegare fenomeni fisici: è un principio che si estende anche alla nostra comprensione dell’universo e alla nostra vita quotidiana. Nel suo cuore, l’entropia è un modo per misurare l’ordine e il disordine all’interno di un sistema, un concetto che ha affascinato fisici e matematici per decenni, e che recentemente ha anche trovato applicazioni in campi come la teoria dell’informazione e la fisica quantistica.

Il secondo principio della termodinamica, che stabilisce che l’energia termica fluisce sempre da un corpo caldo a uno più freddo, non è solo un principio fisico che descrive come il calore si distribuisce tra i corpi, ma rappresenta anche una legge universale che governerebbe l’intero universo. Questo principio afferma che l’entropia di un sistema isolato tende ad aumentare nel tempo, un aumento che segna il passaggio dall’ordine al disordine. In altre parole, l’energia in un sistema si disperde e diventa meno disponibile per compiere lavoro. Ciò si manifesta in fenomeni quotidiani, come il ghiaccio che si scioglie o il caffè che si raffredda. Ogni trasformazione che comporta un trasferimento di energia senza l’aggiunta di energia esterna porta con sé un aumento dell’entropia, facendo progredire un sistema da uno stato ordinato a uno disordinato, in accordo con la direzione del tempo, spesso identificata come la “freccia del tempo”.

Quando parliamo di entropia, dobbiamo tenere a mente che essa non è soltanto una misura del disordine, ma una vera e propria funzione di stato in un sistema in equilibrio termodinamico. Per esempio, quando un corpo caldo e uno freddo entrano in contatto, l’energia fluirà dal corpo più caldo a quello più freddo, e la loro entropia aumenterà fino a che non raggiungeranno la stessa temperatura, un punto in cui non sarà più possibile il trasferimento di calore. L’equilibrio termico, in questo senso, è il punto in cui l’entropia è massima, segnalando che non ci sono più opportunità di lavoro da fare.

Questo concetto di entropia è stato applicato anche a fenomeni più complessi, come l’intero universo. Gli scienziati ipotizzano che, in un futuro lontano, quando tutto l’universo si troverà alla stessa temperatura (presumibilmente vicino allo zero assoluto), l’entropia raggiungerà il suo massimo, segnando il punto di non ritorno per ogni trasformazione: quello che viene definito la “morte fredda” dell’universo.

Originariamente introdotto nella termodinamica nel XIX secolo grazie agli studi di William Rankine e Rudolf Clausius, il concetto di entropia ha fatto il suo ingresso anche in altre discipline, come la meccanica statistica, dove viene strettamente legato al concetto di ordine molecolare. La meccanica statistica ha esteso il concetto di entropia agli stati di non-equilibrio, cercando di correlare la probabilità degli stati molecolari con il comportamento macroscopico di un sistema. In pratica, l’entropia fornisce una misura della probabilità di ogni possibile disposizione molecolare, e l’entropia di un sistema è direttamente correlata alla sua capacità di produrre lavoro.

Recentemente, la fisica quantistica ha gettato nuova luce su questo concetto, dimostrando che anche nel mondo microscopico l’entropia segue le stesse leggi della termodinamica. Per decenni, la teoria quantistica sembrava immune da questo principio, grazie alla dimostrazione del matematico John von Neumann, che suggeriva che l’entropia nei sistemi quantistici rimanesse costante se si conoscesse lo stato del sistema con precisione. Tuttavia, un recente studio condotto dall’Università Tecnica di Vienna ha rivisitato questa teoria, mostrando che la nostra comprensione dell’entropia quantistica deve essere aggiornata. Il team di ricerca ha infatti dimostrato che, poiché la teoria quantistica non permette una conoscenza completa di un sistema (per via del principio di indeterminazione), anche in ambito quantistico l’entropia può aumentare, proprio come nel mondo macroscopico.

In particolare, i ricercatori hanno utilizzato l’entropia di Shannon, un concetto introdotto dal matematico Claude Shannon nel 1948, per misurare l’incertezza nelle misurazioni di sistemi quantistici. L’entropia di Shannon quantifica l’informazione che si acquisisce nel processo di misurazione, considerando che, in un sistema con molteplici possibili risultati, l’entropia è alta. Un esempio pratico di ciò è il caso dello spin di un elettrone: se sappiamo con certezza se lo spin è verso l’alto o verso il basso, l’entropia è nulla, ma se lo spin può essere in entrambe le direzioni con pari probabilità, l’entropia è alta.

Questa nuova visione dell’entropia nei sistemi quantistici rappresenta un passo importante nella comprensione della fisica moderna, unificando la meccanica quantistica e la termodinamica. Il lavoro di questi ricercatori dimostra che il secondo principio della termodinamica non solo descrive il comportamento dei sistemi macroscopici, ma è valido anche a livello quantistico, suggerendo che l’entropia, sia nel mondo macroscopico che in quello microscopico, segua regole universali. Questo studio, pubblicato sulla rivista PRX Quantum, fornisce quindi una visione più completa della termodinamica, unificando due pilastri della fisica che governano il nostro mondo.

L’entropia dunque non è solo una misura del disordine, ma una chiave fondamentale per comprendere la direzione naturale in cui evolve l’universo, sia esso su scala macroscopica che microscopica. Il secondo principio della termodinamica ci ricorda che, mentre l’universo si avvia verso uno stato di equilibrio termico, ogni cambiamento, ogni trasformazione energetica, è intrinsecamente legato all’aumento dell’entropia, un concetto che, dalla fisica classica alla meccanica quantistica, continua a rivelare la sua importanza.