Si haces pasar corriente por un cable, el cable se calienta. Esto lo sabe cualquiera que haya tocado un cargador de teléfono. Los físicos llaman a este calentamiento efecto Joule, en honor a James Joule, quien a mediados del siglo XIX midió cuánto calor produce la electricidad. Desde entonces, la fórmula es simple: cuanto mayor es la resistencia y la corriente, más caliente está el cable.
Pero, ¿qué sucede en el fondo de esta imagen — a nivel de electrones individuales y átomos? Allí todo se rige por la mecánica cuántica, que funciona de manera diferente. En el mundo cuántico no hay fricción en el sentido habitual. Una partícula puede atravesar obstáculos sin tocarlos, y la energía se transfiere solo en porciones. Los autores del nuevo trabajo tomaron un modelo simple de un cable cuántico e intentaron entender de dónde surge el calentamiento. Y se encontraron con una sorpresa: si observas cada electrón honestamente, según las leyes de la física cuántica, la entropía — la medida del desorden — no crece en absoluto. El cable permanece frío.
Entonces, ¿de dónde viene el calor en un cable real? La respuesta de los autores: lo crean las mediciones. Para que el cable comience a calentarse, hay que colocar a lo largo de él diminutos sensores — termopares — que toman lecturas continuamente. Cada uno de estos sensores obtiene información sobre el estado de los electrones y, de este modo, interfiere en su vida. Esta interferencia es la que genera la irreversibilidad. La información obtenida por el sensor se convierte en calor — igual que borrar una grabación en un disco duro libera un poco de energía. En un cable real, el papel de tales sensores lo desempeñan las colisiones aleatorias de los electrones con los átomos de la red. Cada colisión es una pequeña medición que registra dónde está el electrón.
Resulta una imagen hermosa: el calor de Joule no es simplemente fricción, sino un pago por la información. El cable se calienta porque la naturaleza constantemente "observa" a los electrones, obligándolos a elegir una posición determinada. Cuantas más observaciones, más calor. En el límite, cuando hay muchos sensores, el cable cuántico se calienta exactamente como predice la fórmula clásica de Joule. La mecánica cuántica no anula la segunda ley de la termodinámica, sino que oculta su mecanismo en el propio proceso de medición.
tal como lo escribieron los autores, en inglés arXiv:2601.05514
As remarked by Boltzmann, the Second Law of Thermodynamics is notable for the fact that it is readily proved using elementary statistical arguments, but becomes harder and harder to verify the more precise the microscopic description of a system. In this article, we investigate one particular realization of the 2nd Law, namely Joule heating in a wire under electrical bias. We analyze the production of entropy in an exactly solvable model of a quantum wire wherein the conserved flow of entropy under unitary quantum evolution is taken into account using an exact formula for the entropy current of a system of independent quantum particles. In this exact microscopic description of the quantum dynamics, the entropy production due to Joule heating does not arise automatically. Instead, we show that the expected entropy production is realized in the limit of a large number of local measurements by a series of floating thermoelectric probes along the length of the wire, which inject entropy into the system as a result of the information obtained via their continuous measurements of the system. The decoherence resulting from inelastic processes introduced by the local measurements is essential to the phenomenon of entropy production due to Joule heating, and would be expected to arise due to inelastic scattering in real systems of interacting particles.
James Joule, quien da nombre al calentamiento de los conductores, era cervecero. Realizaba sus experimentos sobre la generación de calor en su tiempo libre, utilizando el equipo de la fábrica de cerveza.
En la novela de Stanislaw Lem 'Solaris', el océano-planeta reacciona a las observaciones de los humanos — similar a cómo en el mundo cuántico el mero hecho de medir cambia el comportamiento del sistema.