Fysikere beviser, at det er umuligt at afkøle et objekt til det absolutte nulpunkt

(Phys.org)—I 1912, kemiker Walther Nernst foreslog, at afkøling af et objekt til det absolutte nulpunkt er umuligt med en begrænset mængde tid og ressourcer. I dag er denne idé, kaldet uopnåelighedsprincippet, er den mest udbredte udgave af termodynamikkens tredje lov – men indtil videre er den ikke blevet bevist ud fra de første principper.

Nu for første gang, fysikerne Lluís Masanes og Jonathan Oppenheim ved University College of London har udledt termodynamikkens tredje lov fra de første principper. Efter mere end 100 år, resultatet sætter endelig den tredje lov på samme måde som termodynamikkens første og anden lov, som begge allerede er bevist.

"Målet med fundamental fysik er at udlede alle naturlovene og at beskrive alle fænomener ved kun at antage et lille sæt principper (som kvantemekanik, standardmodellen for partikelfysik, etc.), " fortalte Masanes Phys.org . "Og det er det, vi gør. Derudover denne afledning afslører de stærke forbindelser mellem begrænsningerne af køling, positiviteten af ​​varmekapaciteten, reversibiliteten af ​​mikroskopisk dynamik, osv. Personligt, Jeg elsker, at hele termodynamikken (inklusive den tredje lov) er afledt af mere fundamentale principper."

For at bevise den tredje lov, fysikerne brugte ideer fra datalogi og kvanteinformationsteori. der, et almindeligt problem er at bestemme mængden af ​​ressourcer, der kræves for at udføre en bestemt opgave. Når det anvendes til køling, Spørgsmålet bliver, hvor meget arbejde der skal udføres, og hvor stort skal kølereservoiret være for at køle en genstand til det absolutte nulpunkt (0 Kelvin, -273,15°C, eller -459,67°F)?

Fysikerne viste, at afkøling af et system til det absolutte nulpunkt kræver enten en uendelig mængde arbejde eller et uendeligt reservoir. Dette fund er i overensstemmelse med den bredt accepterede fysiske forklaring på uopnåeligheden af ​​det absolutte nulpunkt:Når temperaturen nærmer sig nul, systemets entropi (uorden) nærmer sig nul, og det er ikke muligt at forberede et system i en tilstand af nul entropi i et begrænset antal trin.

Det nye resultat førte fysikerne til et andet spørgsmål:Hvis vi ikke kan nå det absolutte nul, hvor tæt kan vi så komme (med begrænset tid og ressourcer)? Det viser sig, at svaret er tættere på, end man kunne forvente. Forskerne viste, at lavere temperaturer kan opnås med kun en beskeden forøgelse af ressourcerne. Alligevel viste de også, at der er grænser her, såvel. For eksempel, et system kan ikke køles eksponentielt hurtigt, da dette ville resultere i en negativ varmekapacitet, hvilket er en fysisk umulighed.

En af de gode egenskaber ved det nye bevis er, at det ikke kun gælder for store, klassiske systemer (som traditionel termodynamik normalt beskæftiger sig med), men også til kvantesystemer og til enhver tænkelig form for køleproces.

Af denne grund, resultaterne har udbredte teoretiske implikationer. Køling til meget lave temperaturer er en nøglekomponent i mange teknologier, såsom kvantecomputere, kvantesimuleringer, og højpræcisionsmålinger. At forstå, hvad der skal til for at komme tæt på det absolutte nul, kan hjælpe med at guide udviklingen og optimeringen af ​​fremtidige køleprotokoller til disse applikationer.

"Nu hvor vi har en bedre forståelse af begrænsningerne ved køling, Jeg vil gerne optimere de eksisterende kølemetoder eller komme med nye, " sagde Masanes.

© 2017 Phys.org