Μετά από 100 χρόνια συζητήσεων, φθάνοντας στο απόλυτο μηδέν έχει αποδειχθεί μαθηματικά αδύνατο

Μετά από περισσότερα από 100 χρόνια συζήτησης, φυσικοί έχουν προσφέρει την μαθηματική απόδειξη του τρίτου νόμου της θερμοδυναμικής, ο οποίος δηλώνει ότι η θερμοκρασία του απόλυτου μηδενός δεν μπορεί να επιτευχθεί φυσικά, καθότι είναι αδύνατο για την εντροπία ενός συστήματος να φθάσει στο μηδέν.

Αν και οι επιστήμονες από καιρό έχουν υποθέσει ότι υπάρχει ένα εγγενές “όριο ταχύτητας”, της πράξης ψύξης ενός συστήματος, κάτι που μας αποτρέπει από την επίτευξη θερμοκρασίας απόλυτου μηδέν (0 Kelvin, -273,15 ° C, ή -459,67 ° F), τα ευρήματα της νέας μελέτης η οποία δημοσιεύθηκε στην επιστημονική επιθεώρηση Nature Communications, παρέχουν την ισχυρότερη απόδειξη μέχρι σήμερα, ότι οι τρέχων νόμοι της φυσικής ισχύουν και όταν πρόκειται για τη χαμηλότερη δυνατή θερμοκρασία.

“Στη μελέτη μας δείχνουμε ότι δεν μπορείτε να ψύξετε ένα σύστημα στο απόλυτο μηδέν με ένα πεπερασμένο αριθμό πόρων”, αναφέρουν οι ερευνητές στη μελέτη τους. “Καταλήξαμε επίσης στο συμπέρασμα ότι είναι αδύνατο να ψυχθεί ένα σύστημα στο απόλυτο μηδέν σε πεπερασμένο χρόνο, και έχουμε προσδιορίσει μια σχέση μεταξύ του χρόνου και της χαμηλότερης θερμοκρασίας : Είναι η ταχύτητας της ψύξης”.

Με αυτό οι ερευνητές αναφέρονται σε δυο θεμελιώδεις κανόνες από τους οποίους ο τρίτος νόμος της θερμοδυναμικής εξαρτάται για την εγκυρότητά του. Η πρώτος είναι ότι, προκειμένου να επιτευχθεί το απόλυτο μηδέν σε ένα φυσικό σύστημα, η εντροπία του συστήματος πρέπει να φθάσει το μηδέν. Η δεύτερος κανόνας είναι γνωστός ως αρχή unattainability, η οποία αναφέρει ότι το απόλυτο μηδέν είναι φυσικά απρόσιτο, επειδή κανένα σύστημα δεν μπορεί να φτάσει σε εντροπία μηδέν. Μαζί, οι κανόνες αυτοί είναι πλέον γνωστοί ως ο τρίτος νόμος της θερμοδυναμικής.

Για να ελέγξουν το πόσο γερές είναι οι αξιώσεις του τρίτου νόμου της θερμοδυναμικής στη πραγματικότητα, στα κλασικά και κβαντικά συστήματα, οι ερευνητές αποφάσισαν να ελέγξουν εάν είναι μαθηματικά δυνατό να επιτευχθεί το απόλυτο μηδέν, με πεπερασμένο χρόνο και πόρους.

Χρησιμοποιώντας μαθηματικές τεχνικές που προέρχονται από τη θεωρία κβαντικής πληροφορίας, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι θα μπορούσαν να φτάσουν το απόλυτο μηδέν, μόνο αν είχαν άπειρο χρόνο και άπειρους πόρους.

Αυτό είναι κάτι που οι φυσικοί από καιρό έχουν υποθέσει, καθότι ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής δηλώνει ότι η θερμότητα θα κινηθεί αυθόρμητα από ένα θερμότερο σύστημα σε ένα πιο δροσερό σύστημα, έτσι ώστε το αντικείμενο που θα προσπαθείτε να ψύξετε, θα λαμβάνει συνεχώς θερμότητα από το περιβάλλον του.

Και όταν υπάρχει κάποια ποσότητα της θερμότητας μέσα σε ένα αντικείμενο, αυτό σημαίνει ότι υπάρχει θερμική κίνηση στο εσωτερικό, κάτι το οποίο εξασφαλίζει ότι θα υπάρχει κάποιος βαθμός εντροπίας για πάντα.

Αυτό εξηγεί γιατί, όπου και να κοιτάξουμε, κάθε αντικείμενο ή σύστημα στο σύμπαν κινείται έστω και απειροελάχιστα. Τίποτα στο σύμπαν είναι απόλυτα ακίνητο, σύμφωνα με τον τρίτο νόμο της θερμοδυναμικής.

Παραπομπές

Lluís Masanes, Jonathan Oppenheim. A general derivation and quantification of the third law of thermodynamics. Nature Communications (2017). DOI: 10.1038/ncomms14538

ΑΝΔΡΕΑΣ ΓΡΗΓΟΡΙΟΥ

Παιδί της επιστήμης και της τεχνολογίας, παρέα με ένα γάτο κοιτάζει το σύμπαν και θέτει ερωτήσεις

You may also like...

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *