Un nuevo demonio de Maxwell

Una estrategia empleada en los juegos de azar permite llevar al laboratorio una versión mejorada del famoso experimento mental del siglo XIX.

EN 1867, JAMES CLERK MAXWELL argumentó que un pequeño ser que conociese las posiciones y velocidades de las moléculas de un gas separado en dos cámaras podría violar la segunda ley de la termodinámica accionando una pequeña compuerta. Un trabajo reciente ha conseguido emular dicho proceso minimizando el control que es necesario ejercer sobre el sistema. [Cortesía de John D. Norton, modificado por Investigación y Ciencia]

Las leyes de la termodinámica nos ayudan a entender por qué una bebida fresca pierde rápidamente su atractivo si se deja al sol en un día de verano, o por qué el motor de un coche necesita una diferencia de temperatura para funcionar. La primera ley establece que la energía se conserva en todos los procesos físicos. La segunda nos dice qué transformaciones de energía son posibles y cuáles no a través del concepto de entropía: solo los procesos que tienden a aumentar la entropía total del universo suceden espontáneamente. Por ejemplo, la segunda ley establece que el calor fluirá de manera natural de un cuerpo caliente a uno frío, y que ese flujo solo podrá invertirse a condición de gastar algún otro recurso termodinámico. Así sucede con el refrigerador de nuestra casa, cuyo coste termodinámico nos llega a final de mes en forma de factura de la luz.

Sin embargo, mucho ha llovido desde la formulación original de estas leyes en el siglo XIX. Si la termodinámica nació para describir el funcionamiento de grandes artefactos, como la máquina de vapor, hoy es posible estudiar el intercambio de energía en objetos de tamaño micrométrico o incluso nanométrico. La disciplina que estudia estos procesos se conoce como termodinámica estocástica, y un ejemplo de su ámbito de aplicación son los motores moleculares que, en nuestro cuerpo, se encargan de funciones tan relevantes como la contracción muscular o el transporte intracelular. Otra área emergente, la termodinámica cuántica, es capaz de describir la operación de motores térmicos a escalas aún menores y donde intervienen algunos fenómenos intrínsecamente cuánticos, como el entrelazamiento.

De hecho, una mirada microscópica revela que algunas de las limitaciones impuestas por las leyes de la termodinámica son en realidad menos estrictas de lo que parecían. Uno de los primeros en intuir este fenómeno fue James Clerk Maxwell, quien en 1867 propuso un experimento mental en el que un pequeño ser inteligente, posteriormente denominado «demonio», podría violar la segunda ley reordenando las moléculas de un gas. Décadas más tarde, y fascinado por la idea de Maxwell, el físico e inventor Leó Szilárd propuso un hipotético motor que podría emplear información para generar trabajo. Más de un siglo después, el desarrollo de estas ideas ha desembocado en un fructífero marco teórico en el que energía e información se hallan estrechamente relacionadas y que ha permitido analizar en el laboratorio las ideas de Maxwell y Szilárd.

En un trabajo reciente, realizado junto con investigadores del Centro Internacional de Física Teórica (ICTP) de Trieste y la Universidad de Aalto en Helsinki, hemos intentado llevar este marco hasta sus límites mediante un nuevo tipo de demonio. Este emplea estrategias similares a las usadas en finanzas y en algunos juegos de azar y las aprovecha para extraer trabajo, lo que aparentemente le permite violar la segunda ley. No obstante, una característica de este «demonio tahúr» que lo diferencia de las propuestas anteriores es que, para operar, no necesita ejercer un control del sistema a nivel microscópico. Antes bien, y como todo buen jugador, solo debe saber cuándo parar el juego, una propiedad que lo hace potencialmente aplicable a muchas más situaciones que el demonio original de Maxwell.

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