¿El principio de incertidumbre cuántica está relacionado con la termodinámica?

Me gustaría hacer una pregunta, pero primero me gustaría decir Hola a todos de una manera que juegue el sistema, ya que algunos genios decidieron que uno no debería poder decir hola en una pregunta.

El principio de incertidumbre en la mecánica cuántica es bien conocido y se considera una de las propiedades más básicas de la realidad natural. La 2ª Ley de la termodinámica también es muy conocida y también se considera uno de los procesos más básicos de la realidad natural.

El principio de incertidumbre utiliza y está relacionado con la constante de Planck . La constante de Planck tiene las dimensiones de acción y, en un enfoque de mecánica estadística, también se relaciona muy bien con la partición del espacio de fase que proporciona la medida básica para la entropía funcional ( esta respuesta proporciona un buen resumen de esto).

Aparte de eso, existen artículos relativamente recientes que relacionan el Principio de Incertidumbre de Heisenberg en la mecánica cuántica directa e intuitivamente con la 2ª Ley de la Termodinámica.

¿Es correcta esta relación? Y si es así, ¿podemos derivar uno del otro?

Gracias

PD. También se puede revisar esta pregunta , que aunque no es la misma, se relaciona de manera interesante.

ACTUALIZAR:

se acepta la respuesta de anna ya que al mencionar la derivación de (parte de) la segunda ley de la dinámica unitaria, responde la pregunta al menos de una manera. Considere esto como aún abierto para que pueda agregar otra respuesta. Hay más alternativas (y una de ellas es mi postura, es decir, termodinámica -> incertidumbre)

Nikos, cuando miras la página de inicio de PhysicsSE, solo muestra el primer párrafo de tu pregunta, es decir, solo la queja sobre no poder saludar. Aumentaría la posibilidad de que su pregunta sea respondida si mueve el primer párrafo al final de su pregunta.
@John, muchas gracias por su comentario y, de hecho, tiene una razón (que no se ha visto hasta ahora en .se), sin embargo, ¿no se supone que el título de la pregunta es el resumen más breve de la pregunta en sí? Y además, no seamos "robots" en nuestra comunicación, humor, fraseo, expresión, etc. en general puede ser la mitad de la diversión :)
@John, y, por supuesto, uno siempre asume la responsabilidad de cómo formular la pregunta y los resultados asociados de no ser respondida rápidamente o lo que sea, no me gustaría que el editor me quite el saludo si quiero decirlo. no hablo con el editor me dirijo a la gente
@guntbert, no estoy de acuerdo con la edición para eliminar el comienzo innecesario y hablador (también conocido como un mensaje de saludo con un borde de hecho), y no parece darme una forma de deshacer ...

Respuestas (2)

Esa es una muy buena pregunta y el artículo (que no sabía) es interesante ya que establece que la termodinámica no puede ser verdadera y las relaciones de incertidumbre microscópicas falsas al mismo tiempo. Independientemente de si es cierto o no, es una afirmación interesante ya que se aparta de la sabiduría tradicional del enfoque completo de abajo hacia arriba.

No he verificado si el argumento que presentan es sólido o no, pero la forma en que lo hacen es definitivamente razonable por diferentes razones:

  • Si las relaciones de incertidumbre tienen que ver con la termodinámica, es probable que el vínculo se encuentre en el nivel de información . Esto se debe a que, por un lado, las relaciones de incertidumbre implican que existen eventos incompatibles, lo que a su vez dice que la cantidad máxima de información que podemos tener sobre un sistema cuántico es un conjunto de valores propios de un conjunto completo de observables conmutables. Esta información aparentemente siempre es menor o igual a la información clásica que podríamos tener en dicho sistema. Por otro lado, Landauer ha propuesto que la cantidad mínima de energía que se tiene que dar para cambiar un bit de información es k B T en ⁡ 2 para no violar el segundo principio de la termodinámica. Este límite es muy importante ya que fue una primera solución razonable al problema del demonio de Maxwell.

  • A primera vista, los autores del artículo parecen proponer un experimento mental similar al del demonio de Maxwell pero que tiene en cuenta las propiedades cuánticas de las partículas. De su razonamiento concluyen que, en principio, se puede obtener una fuente de energía infinita (es decir, volveríamos al problema original del demonio de Maxwell) a menos que las relaciones de incertidumbre sean verdaderas.

Todavía necesito estudiar más a fondo el documento, pero mi opinión es que han demostrado que aparentemente se puede violar el límite de Landauer (y, por lo tanto, el segundo principio de la termodinámica) durante un ciclo si no se aplican las relaciones de incertidumbre.

Se ha demostrado recientemente con un sistema clásico que, de hecho, uno podría violar el límite original de Landauer en un procedimiento de borrado de información. Sin embargo, esto no viola una versión más elaborada del límite de Landauer que tiene en cuenta la tasa de éxito del protocolo de borrado y me pregunto si el resultado de Hanggi et al. podría interpretarse en este contexto más amplio.

Desafortunadamente, no tengo una opinión definitiva ni sobre el trabajo que señala ni sobre la afirmación real de que la termodinámica implica relaciones de incertidumbre. Pero sí creo que si fuera cierto, entonces evaluar el costo del borrado de información sería la dirección correcta para mirar y también, en mi opinión, cómo se comportan las relaciones de fluctuación en el mundo cuántico debe comprenderse mejor para proporcionar más argumentos definitivos sobre este tema.

gracias por el artículo sobre las relaciones de fluctuación, habrá que echarle un vistazo
Por otro lado, una interpretación de las relaciones de incertidumbre es exactamente que el espacio de fase no se puede comprimir arbitrariamente (la realidad es real ), además, la información también se puede derivar por sí misma. Con respecto a la termodinámica de la computación (Landauer, Bennett et al), yo (al menos en la actualidad) no considero un problema si se basa en el borrado o en la adquisición de información, creo que ambos pueden usarse igualmente bien
El demonio de Maxwell y sus variaciones (Szillard Engine, Szillard-Popper engine, etc.) son metáforas y marcos de trabajo frecuentemente utilizados en el razonamiento termodinámico relacionado con la información. Sin embargo, hay objeciones (por ejemplo, el razonamiento de no ir de Norton )
Hubo un artículo reciente sobre arxiv (alrededor de 2012), que en realidad derivó la gravedad de la entropía y el razonamiento de la información (tendré que encontrarlo, lo tengo en alguna parte)
El documento sobre fluctuaciones es bastante bueno, tiene las matemáticas de la desigualdad de Clausius, Fokker-Planck e integrales de ruta. Sin embargo, está redactado y basado en nociones más antiguas/sombrías de entropía (muerte por calor, desorden, etc.). Sugiero mirar el trabajo de Prigogine, que es uno de los que insuflan nueva vida al género y disipan los mitos de las lúgubres nociones de entropía. Finalmente, un análisis más elemental sobre entropía, fluctuaciones, etc. en otra publicación mía
No estoy seguro de lo que quieres decir con viejo y sombrío, pero la forma en que hablan de la entropía me parece bien, especialmente cuando el tema trata sobre la extensión de los conceptos termodinámicos al mundo pequeño. Es cierto que las relaciones de incertidumbre dicen que uno no puede comprimir arbitrariamente el espacio de fase, pero eso es más una consecuencia de su existencia, como señaló annav, que de que sean necesarias para que la termodinámica sea consistente.
Existe esta interpretación de "entropía" (basada en una tergiversación del ejemplo simplista de la termodinámica del gas) de que la entropía es esta parte de la realidad responsable de la "muerte (por calor)", el "desorden" y otros conceptos sombríos, mientras que todo eso es "bueno" en realidad es todo lo contrario y más "fundamental" o como una propiedad fenomenológica y macroscópica solamente. Esto es algo que he respondido en otro lugar (y no soy el único, vea también los comentarios sobre la respuesta de Anna). En pocas palabras, la entropía no es eso y ciertamente no solo eso.
Como respuesta a la naturaleza fundamental de QM y la 2da ley y la entropía como un derivado de eso. La paradoja de Lochsmidt aún se mantiene (QM permanece simétrico en el tiempo, etc.). Esto al menos implica mucho en cuanto al estado de la segunda ley (sin mencionar la amplia área de aplicación en muchas escalas, incluida la nuestra)
si desea otro aspecto de por qué esto se considera de esta manera (con respecto a la termodinámica). Se remonta al siglo XVIII y al paradigma newtoniano como predominante (y determinista en un sentido conveniente). Cosas similares le sucedieron a Darwin, etc. (Kuhn ha hecho un relevamiento de algunos casos)
Estoy un poco perdido ahora... ¿cuál es tu punto de vista exactamente? ¿Consideras que la termodinámica implica QM o al revés? Todavía no entiendo cuál es la verdadera entropía buena (para oponer a la "sombría") de la que hablas varias veces pero sin decir nunca explícitamente qué es. Y, por cierto, cuando se trata de la paradoja de Lochsmidt, creo que Boltzmann ya dio la respuesta correcta en ese momento, que simplemente ha sido (re)verificada muchas veces desde entonces, incluso en el caso cuántico, como se muestra aquí, por ejemplo .
En realidad, sí, esta es mi postura (que la termodinámica es más básica si lo desea) y que QM debería (podría) ser derivable en estos aspectos. Sin embargo, el punto principal de la pregunta es una relación íntima entre la incertidumbre y la segunda ley (de cualquier manera).
Ok, el trabajo de Prigogine y también la declaración de Keenan-Hatzopoulos de la segunda ley brindan el marco diferente que responde a su pregunta (se pueden hacer declaraciones aún más generales, pero esto es para otro momento)
De hecho, si Boltzmann en su intento de derivar explícitamente lo que se consideraba la distribución correcta de Maxwell no hiciera requisitos adicionales, podría derivar algo muy cercano a QM incluso antes que Planck y Heisenberg.
Y ya que seguimos en esta línea de pensamiento. El tratamiento principal de QM es un enfoque reduccionista para construir todo lo demás encima. Sin embargo, Entropy es un enfoque holístico. Esto está relacionado con la filosofía de la física. Pero no olvide que incluso la ecuación de Shroediger es un axioma como la ecuación de Newton (a la que reemplazó) y no más básica. Es una generalización de la experiencia en una hipótesis. Tanto es así la 2ª ley (que no ha sido contradicha por ningún experimento, y hay muchos más que los estrictamente QM).

Tu mismo dices:

El principio de incertidumbre en la mecánica cuántica es bien conocido y se considera una de las propiedades más básicas de la realidad natural.

De hecho, la mecánica cuántica y sus postulados y leyes son el marco subyacente sobre el que se construye cualquier teoría clásica.

Las "leyes" de las teorías clásicas surgen del marco mecánico cuántico subyacente. En el documento que cita afirman que:

Más precisamente, mostramos que la violación de las relaciones de incertidumbre en la mecánica cuántica conduce a un ciclo termodinámico con ganancia neta de trabajo positiva, que es muy poco probable que exista en la naturaleza.

Como experimentador, no estoy en condiciones de verificar si su conclusión es correcta, este es el trabajo de revisión por pares en revistas, y ha sido aceptado en Nature y, espero, revisado por pares. Bien hecho si es correcto, porque es una validación más del marco mecánico cuántico subyacente.

No sé si está relacionado con la declaración en el artículo de wiki:

En termodinámica estadística, la segunda ley es una consecuencia de la unitaridad en la mecánica cuántica.

A partir de las referencias, parece estar conectado a la interpretación de muchos mundos, por lo que esta nueva derivación podría ser una conexión más convencional del marco de la mecánica cuántica con la segunda ley.

buena respuesta, gracias, aunque no estoy a favor de la interpretación principal, específicamente la interpretación de Copenhague y la fragmentación ("artificial") en mundos "cuánticos" y "clásicos". Así que trato de encontrar conexiones (e interpretaciones) en estas direcciones, creo que esto es relevante. Sin embargo, me gusta mucho la respuesta, esperaré cualquier otra respuesta, también
más específicamente, me inclino hacia la mecánica cuántica como resultado de la mecánica estadística (o algo así), por supuesto, si son equivalentes (de alguna manera), esto facilita las cosas. Por otro lado, si es así, es así. No tiene sentido involucrarse en la física de otra manera
Sí, hay un resultado que "deriva" la segunda ley de la unitaridad del formalismo cuántico, sin embargo, ¿podemos ir por el otro lado? Y además, ¿qué tal el colapso de la medición y la segunda ley? Creo que estos son interesantes por sí mismos, pero también, en lo que podrían ser fenómenos cuánticos plausibles en general.
También está la asimetría temporal de la segunda ley y el formalismo simétrico en el tiempo de la mecánica cuántica actual. Hay un artículo sobre una formulación alternativa del formalismo cuántico (que abarca la entropía), puedo darle el enlace si lo desea.
Tampoco soy fanático de la interpretación de muchos mundos (por ejemplo, no es ergódica), pero de todos modos, hay otras interpretaciones que también pueden abarcar el resultado (desafortunadamente, esto no es física sino patrocinio en gran medida)
déjame explicarte un poco más sobre la ergodicidad y la interpretación de muchos mundos. Suponiendo un fenómeno cuántico como un experimento de dados, la interpretación de muchos mundos generaría 2 mundos diferentes para diferentes valores de los dados (por ejemplo, giro) y si esto sucede temprano ( en algún sentido), entonces la otra probabilidad nunca se realiza (ergódicamente) en la rama en la que se encuentra. no estoy seguro de si los fenómenos EPR también se tienen en cuenta (tendré que comprobarlo)
En mi opinión no se puede ir a la mecánica cuántica desde la termodinámica, porque la termodinámica es un metanivel de la mecánica estadística y la mecánica estadística es un metanivel de la mecánica cuántica. Uno puede encontrar conexiones como en el artículo que cita, pero las leyes de la termodinámica dejan de ser leyes de la mecánica estadística, como la entropía, explicables por probabilidades. Uno puede explicar analíticamente el nivel superior utilizando el nivel subyacente, pero no puede ir analíticamente al nivel inferior utilizando las herramientas del nivel superior.
anna, el enlace que te estaba diciendo anteriormente, le gustó tu comentario
"De hecho, la mecánica cuántica y sus postulados y leyes son el marco subyacente sobre el que se construye cualquier teoría clásica". Eso no es un hecho, ya que la "mecánica cuántica" se construyó en parte sobre la base de la mecánica clásica. Incluso hoy en día, la "mecánica cuántica" es una teoría probabilística y la "teoría clásica" no lo es. Su afirmación parece tan incorrecta como "la teoría de los juegos de riesgo es la base sobre la cual se construye la estática de los edificios".
@JánLalinský echa un vistazo a motls.blogspot.com/2011/11/… . un poco como la termodinámica emerge de la mecánica estadística.
Como publiqué en la otra respuesta, la paradoja de Lochsmidt aún se aplica a las interpretaciones para extraer la segunda ley de un QM "fundamental" (ya que QM o SM para el caso, es simétrico en el tiempo).
incluso si se tiene en cuenta la decoherencia?
hmmm, bueno, la decoherencia, es de nuevo estadística. No me gustaría seguir discutiendo esto, sino solo poder defender "convincentemente" y "plausiblemente" otra posición. Me preocuparía más el lado de QM que tiene que resolver las paradojas de la medición cuántica, que la termodinámica que tiene una amplia aplicación (y la nota no hace suposiciones sobre la naturaleza de los elementos constituyentes ni de las escalas, algo para reflexionar :))
Mira Nikos, a mi edad (74) se me permitirá haber decidido mi marco básico de física, después de haber trabajado profesionalmente durante 35 años y haber visto cómo el modelo estándar se desarrollaba gradualmente. En mi opinión, QM es lo que en el fondo es la matemática de la naturaleza y todo lo demás surge de ella. Las paradojas de la medición cuántica son una mirada al ombligo de los teóricos con inclinaciones filosóficas, nuevamente en mi opinión.
¿El principio de incertidumbre cuántica está relacionado con la termodinámica?
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