Em teoria, a física quântica limita o ritmo do equilíbrio térmico

Uma chávena de café quente arrefece até à temperatura ambiente. Um copo de cola aquece até mais ou menos a mesma temperatura. Ninguém cronometra o processo, mas o ritmo destas mudanças nunca é aleatório: depende da divisão, da quantidade de líquido que se serviu. Há muito que os físicos suspeitam que algo mais fundamental controla esse ritmo às menores escalas, e uma equipa da Academia Austríaca de Ciências, da Universidade Autónoma de Barcelona e da Universidade de Genebra afirma agora tê-lo demonstrado.

O resultado, publicado na Nature Physics, é um limite de velocidade universal para a rapidez com que um sistema cujas partes se encontram a temperaturas diferentes atinge o equilíbrio térmico. Os investigadores afirmam que nada do que se faça ao sistema pode alterar esse limite. Os físicos já tinham identificado sinais de um limite deste tipo em supercondutores e noutros sistemas quânticos, mas identificar não é demonstrar. Para o provar, a equipa recorreu a um quadro matemático universal que trata a termalização como um processo que leva diferentes sistemas quânticos aos respetivos estados térmicos, e à teoria da informação quântica para calcular a rapidez com que isso pode acontecer segundo as regras da mecânica quântica.

A demonstração foi depois verificada num modelo teórico de partículas quânticas. As equações mostram que o limite é definido pela temperatura do sistema e por duas constantes: a constante de Planck reduzida e a constante de Boltzmann, que relaciona a energia cinética média das partículas de um gás com a temperatura termodinâmica. Mesmo quando os componentes estão a temperaturas elevadas e parecem igualar-se rapidamente, não podem ultrapassar esse limite. Os autores concluem que o limite depende da temperatura e da mecânica quântica, e não da complexidade do ambiente. Quando as diferenças de temperatura são pequenas, o ritmo é antes definido pelos dois estados de menor energia do sistema.

O que muda, concretamente? Por enquanto, muito pouco que se possa tocar: o trabalho é uma demonstração matemática aplicada a um modelo teórico, e a fonte não refere qualquer experiência, dispositivo ou produto. O que faz é fixar uma fronteira que os engenheiros das futuras tecnologias quânticas terão de respeitar. As conclusões abrem novas vias de investigação na computação e nos sensores quânticos, áreas em que a rapidez com que um sistema quântico se estabiliza é determinante para aquilo que consegue fazer. A fonte não indica nenhuma data nem qualquer estimativa de quando essas aplicações poderão surgir.

O valor do resultado está em transformar uma intuição antiga num facto demonstrado, e fazê-lo ao nível onde as regras são escritas. Uma chávena de café continuará a arrefecer ao seu próprio ritmo, mas a física que define esse ritmo passa agora a ter uma demonstração por trás, e essa demonstração é um ponto de partida para as equipas que vão construir sobre ela.