(Aaron Burden/Unsplash) Nach mehr als 100 Jahren Debatte mit Leuten wie Einstein selbst haben Physiker endlich den mathematischen Beweis für das dritte Gesetz von erbracht Thermodynamik , die besagt, dass eine Temperatur des absoluten Nullpunkts physikalisch nicht erreicht werden kann, weil es für die Entropie (oder Unordnung) eines Systems unmöglich ist, den Nullpunkt zu erreichen.
Während Wissenschaftler es getan haben schon lange vermutet Dass es eine intrinsische „Geschwindigkeitsbegrenzung“ für die Abkühlung in unserem Universum gibt, die uns daran hindert, jemals den absoluten Nullpunkt (0 Kelvin, -273,15 °C oder -459,67 °F) zu erreichen, ist dies der bisher stärkste Beweis dafür, dass unsere aktuellen Gesetze gelten Wenn es um eine möglichst niedrige Temperatur geht, gelten die Grundsätze der Physik.
„Wir zeigen, dass man ein System mit einer begrenzten Menge an Ressourcen nicht wirklich auf den absoluten Nullpunkt abkühlen kann, und wir sind noch einen Schritt weiter gegangen“, sagte Lluis Masanes vom University College London, einer aus dem Team. sagte IFLScience.
„Dann kommen wir zu dem Schluss, dass es unmöglich ist, ein System in endlicher Zeit auf den absoluten Nullpunkt abzukühlen, und stellen einen Zusammenhang zwischen der Zeit und der niedrigstmöglichen Temperatur her.“ Es ist die Geschwindigkeit der Abkühlung.'
Was Masanes hier meint, sind zwei grundlegende Annahmen, dass die Dritter Hauptsatz der Thermodynamik hängt von seiner Gültigkeit ab.
Erstens muss die Entropie des Systems ebenfalls Null erreichen, um in einem physikalischen System den absoluten Nullpunkt zu erreichen.
Die zweite Regel ist als Unerreichbarkeitsprinzip bekannt und besagt, dass der absolute Nullpunkt physikalisch unerreichbar ist, da kein System die Entropie Null erreichen kann.
Die erste Regel wurde 1906 vom deutschen Chemiker Walther Nernst vorgeschlagen und brachte ihm zwar den Nobelpreis für Chemie ein, aber Schwergewichte wie Albert Einstein und Max Planck waren von seinen Beweisen nicht überzeugt und kamen auf ihre eigenen eigene Versionen der Abkühlungsgrenze des Universums.
Dies veranlasste Nernst, seine Überlegungen zu verdoppeln und 1912 die zweite Regel vorzuschlagen, die den absoluten Nullpunkt für physikalisch unmöglich erklärte.
Zusammengenommen werden diese Regeln heute als der dritte Hauptsatz der Thermodynamik anerkannt, und obwohl dieses Gesetz wahr zu sein scheint, schienen seine Grundlagen schon immer etwas steinig zu sein – wenn es um das geht Gesetze der Thermodynamik , der Dritte war so etwas wie ein schwarzes Schaf.
„[B]Weil sich frühere Argumente nur auf bestimmte Mechanismen konzentrierten oder durch fragwürdige Annahmen zunichte gemacht wurden, waren einige Physiker immer noch nicht von ihrer Gültigkeit überzeugt.“ Leah Crane erklärt dafür Neuer Wissenschaftler.
Um zu testen, wie robust die Annahmen des dritten Hauptsatzes der Thermodynamik tatsächlich in beiden sind klassische und Quantensysteme , beschlossen Masanes und sein Kollege Jonathan Oppenheim zu testen, ob es mathematisch möglich ist, den absoluten Nullpunkt zu erreichen, wenn man sich auf endliche Zeit und Ressourcen beschränkt.
Masanes vergleicht diesen Akt der Abkühlung zur Berechnung - Wir können zusehen, wie ein Computer einen Algorithmus löst und aufzeichnen, wie lange es dauert, und auf die gleiche Weise können wir tatsächlich berechnen, wie lange es dauert, bis ein System aufgrund der Schritte, die zur Wärmeabfuhr erforderlich sind, auf seine theoretische Grenze abgekühlt ist.
Man kann sich Kühlung so vorstellen, dass die in einem System vorhandene Wärme effektiv „herausgeschaufelt“ und an die Umgebung abgegeben wird.
Wie viel Wärme das System gestartet hat, bestimmt, wie viele Schritte Sie benötigen, um alles herauszuschaufeln, und die Größe des „Reservoirs“, in dem diese Wärme gespeichert wird, begrenzt auch Ihre Kühlfähigkeit.
Mithilfe mathematischer Techniken, die aus der Quanteninformationstheorie abgeleitet sind – etwas, das Einstein hatte darauf gedrängt In seinen eigenen Formulierungen des dritten Hauptsatzes der Thermodynamik stellten Masanes und Oppenheim fest, dass man den absoluten Nullpunkt nur erreichen kann, wenn man sowohl unendliche Schritte als auch ein unendliches Reservoir hat.
Und das wird keiner von uns so schnell in die Finger bekommen.
Das ist etwas, was Physiker schon lange vermutet , weil das Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass Wärme spontan von einem wärmeren System zu einem kühleren System wandert, sodass das Objekt, das Sie abkühlen möchten, ständig Wärme aus seiner Umgebung aufnimmt.
Und wenn in einem Objekt eine gewisse Wärmemenge vorhanden ist, bedeutet das, dass es im Inneren eine thermische Bewegung gibt, die dafür sorgt, dass immer ein gewisses Maß an Entropie bestehen bleibt.
Dies erklärt, warum, egal wo man hinschaut, jedes einzelne Ding im Universum bewegt sich ganz leicht - Nach dem dritten Hauptsatz der Thermodynamik ist nichts Existierendes völlig still.
Das sagen die Forscher Sie „hoffen, dass die vorliegende Arbeit den dritten Hauptsatz besser mit den anderen Gesetzen der Thermodynamik in Einklang bringt“ und gleichzeitig die schnellste theoretische Geschwindigkeit präsentiert, mit der wir etwas tatsächlich abkühlen können.
Mit anderen Worten: Sie haben die Abkühlungsschritte mithilfe von Mathematik quantifiziert und es den Forschern so ermöglicht, eine Geschwindigkeitsbegrenzung festzulegen, die angibt, wie kalt ein System in einer endlichen Zeitspanne werden kann.
Und das ist wichtig, denn selbst wenn wir den absoluten Nullpunkt nie erreichen, können wir verdammt nahe kommen. wie die NASA kürzlich demonstrierte mit seinem Cold Atom Laboratory, das nur ein Milliardstel Grad über dem absoluten Nullpunkt erreichen kann, oder 100 Millionen Mal kälter als die Tiefen des Weltraums.
Bei solchen Temperaturen werden wir seltsame atomare Verhaltensweisen beobachten können, die noch nie zuvor beobachtet wurden. Und die Fähigkeit, so viel Wärme wie möglich aus einem System abzuführen, wird im Wettlauf um den Aufbau eines funktionsfähigen Systems von entscheidender Bedeutung sein so viel wie ein Computer
Und das Beste daran ist, dass diese Studie zwar den absoluten Nullpunkt endgültig vom Tisch genommen hat, Niemand ist auch nur in die Nähe gekommen um die Temperaturen oder Abkühlgeschwindigkeiten zu erreichen, die ihm als physikalische Grenzen gesetzt sind – trotzdem einige beeindruckende Bemühungen der letzten Zeit .
„Die Arbeit ist wichtig – das dritte Gesetz ist eines der grundlegenden Themen der zeitgenössischen Physik“, sagte Ronnie Kosloff von der Hebräischen Universität Jerusalem, Israel, der nicht an der Studie beteiligt war. erzählt Neuer Wissenschaftler.
„Es verbindet Thermodynamik, Quantenmechanik und Informationstheorie – es ist ein Treffpunkt vieler Dinge.“
Die Studie wurde veröffentlicht in Naturkommunikation.