Физики доказали, что охлаждение тела до абсолютного нуля невозможно

В 1905 году химик Вальтер Нернст постулировал, что охлаждение тела до абсолютного нуля невозможно, если мы имеем конечное время и ресурсы. Сегодня эта идея является наиболее широко признанной версией третьего закона термодинамики. Однако до сих пор еще никому не удавалось вывести его из первых двух законов.

Сейчас, впервые, физики Л. Масанес и Дж. Оппенхейм из Лондонского University College наконец вывели третий закон термодинамики из первых двух. Спустя более 100 лет появилось основательное доказательство этого закона. “Цель фундаментальной физики — вывести все законы природы и объяснить все явления, пользуясь ограниченным набором принципов (таких, как квантовая механика, Стандартная Модель физики частиц и т. д.),” рассказывает Масанес. “Это как раз то, чем мы занимаемся. В дополнение, этот вывод выявляет сильную связь между ограничением на охлаждение, положительностью теплоемкости, обратимостью микроскопической динамики и так далее. Лично мне очень нравится, что вся термодинамика (включая третий закон) выведена из более фундаментальных принципов”.

Чтобы доказать третье начало термодинамики физики использовали идеи из компьютерной науки и квантовой информационной теории. Достаточно общей задачей является определение количества необходимых ресурсов для выполнения определенной задачи. При применении этих идей к охлаждению вопрос становится следующим: какое количество работы нужно совершить, и какого объема нужен охлаждающий резервуар, чтобы охладить тело до абсолютного нуля (0 Кельвина или -273.15°C)?

Было показано, что охлаждение системы до абсолютного нуля требует либо бесконечного количество затраченной работы, либо бесконечно большого резервуара. Это согласуется с общепринятым объяснением недоступности абсолютного нуля: когда температура приближается к нулю энтропия системы стремится к нулю, а достижение нулевой энтропии невозможно за конечное время.

Новый результат поставил физиков перед следующим вопросом: если мы не можем достичь абсолютного нуля, как близко мы можем к нему приблизиться, имея конечные ресурсы? Выясняется, что ответ ближе, чем может показаться. Ученые показали, что более низкие температуры могут быть получены только при значительном увеличении затрат ресурсов. Также было показано, что имеется ограничение на скорость охлаждения. Система не может охлаждаться экспоненциально быстро, так как это бы привело к отрицательной теплоемкости, что физически невозможно. Одна из интересных особенностей этого исследования состоит в том, что новое доказательство применимо не только к большим, классическим системам (с которыми обычно имеет дело термодинамика), но также и к квантовым системам, и к любому типу охладительного процесса.

Поэтому новый результат будет иметь широкое применение в теоретической физике. Охлаждение до сверх-низких температур является ключевым моментом во многих технологиях, таких как квантовые компьютеры, высоко-точные измерения и другие. Понимание того, что происходит при приближении к абсолютному нулю поможет в разработке и оптимизации в этих областях.

Источник: phys.org