Pensiamo sempre che la termodinamica sia scontata, ma questo studio mette pesantemente in dubbio la concezione classica.
Nel 1798, Benjamin Thompson – ufficiale dell’esercito e fisico, noto anche come conte Rumford – fece un’osservazione destinata a cambiare per sempre la fisica. Durante la foratura delle canne dei cannoni a Monaco, notò che il metallo si riscaldava senza sosta. Da qui una conclusione rivoluzionaria per l’epoca: il calore non è una sostanza, ma qualcosa che può essere generato continuamente attraverso il movimento e l’attrito.
Per dimostrarlo, Rumford immerse le canne dei cannoni in acqua e misurò quanto tempo serviva per portarla all’ebollizione. Il risultato fu chiaro: il solo movimento meccanico era in grado di produrre enormi quantità di calore. Esperimenti come questo posero le basi della termodinamica moderna, disciplina che nel XIX secolo divenne fondamentale per la Rivoluzione Industriale, permettendo di capire come trasformare il calore in lavoro utile, ad esempio nelle macchine a vapore.
Le leggi della termodinamica: semplici, ma non sempre
Oggi le leggi della termodinamica sono tra i pilastri della scienza. In sintesi:
- in un sistema chiuso, l’energia totale si conserva;
- l’entropia, ovvero il grado di disordine, non diminuisce mai nel tempo.
Queste regole funzionano perfettamente nella vita quotidiana e nei sistemi macroscopici. I problemi iniziano quando si tenta di applicarle a sistemi estremamente piccoli, dove entrano in gioco le leggi della meccanica quantistica. A quelle scale, concetti come “calore” e “lavoro” non sono più così ben separati.
La sfida quantistica alla fisica classica
Un gruppo di ricercatori dell’Università di Basilea, guidato dal professor Patrick Potts, ha recentemente proposto un nuovo modo di definire le grandezze termodinamiche in alcuni sistemi quantistici. I risultati sono stati pubblicati sulla prestigiosa rivista Physical Review Letters.
“Nei sistemi quantistici tutto è microscopico“, spiega Aaron Daniel, dottorando coinvolto nello studio. “La distinzione classica tra lavoro – energia ordinata e utile – e calore – moto disordinato – smette di essere immediata!“.
In altre parole, la termodinamica funziona ancora, ma va reinterpretata.
Luce laser intrappolata: il laboratorio perfetto
Per affrontare il problema, il team ha studiato i cosiddetti risonatori a cavità: sistemi in cui la luce laser resta intrappolata tra due specchi, rimbalzando avanti e indietro prima di fuoriuscire parzialmente.
A differenza della luce di una lampadina o di un LED, la luce laser è altamente coerente: le sue onde elettromagnetiche oscillano tutte in perfetta sincronia; tuttavia, quando il laser attraversa una cavità piena di atomi, questa coerenza può degradarsi, rendendo la luce parzialmente o totalmente incoerente: una condizione più simile a un moto disordinato.
“La coerenza della luce nel sistema laser-cavità è stata il punto di partenza dei nostri calcoli“, racconta Max Schrauwen, studente di laurea che ha partecipato allo studio.
Quando la coerenza diventa “lavoro”
Ma cosa significa, concretamente, “lavoro” nel caso della luce laser? Un esempio pratico è la batteria quantistica, un dispositivo che può essere caricato solo grazie a luce coerente, capace di eccitare collettivamente gli atomi.
Un’interpretazione semplice sarebbe questa:
- la luce coerente in ingresso compie lavoro;
- la luce in uscita, meno coerente, è calore.
La realtà però è più complessa. Anche una luce parzialmente incoerente può ancora svolgere lavoro utile, sebbene in modo meno efficiente. I ricercatori hanno quindi proposto una nuova definizione: solo la parte coerente della luce uscente viene considerata lavoro, mentre la parte incoerente viene trattata come calore.
Con questa distinzione, entrambe le leggi della termodinamica restano valide. Un risultato cruciale, perché dimostra che il modello è matematicamente e fisicamente coerente.
Perché questa ricerca è importante
Secondo Daniel, questo nuovo formalismo potrà essere usato in futuro per affrontare problemi ancora più raffinati della termografia quantistica. Le applicazioni potenziali riguardano tecnologie emergenti come:
- reti quantistiche,
- dispositivi fotonici avanzati,
- sistemi di accumulo energetico quantistico.
Ma c’è anche un aspetto più profondo: questi studi aiutano a capire come il comportamento classico che conosciamo emerga dal mondo quantistico, colmando uno dei divari concettuali più importanti della fisica moderna.
In un certo senso, tutto parte ancora da lì: dal rumore di una trivella che scalda un cannone, e dalla domanda apparentemente semplice su cosa sia davvero il calore.
