بعد 100 عام من النقاش ، أُعلن أن الوصول إلى الصفر المطلق مستحيل رياضياً

(آرون بيردين / أنسبلاش)

بعد أكثر من 100 عام من النقاش الذي ظهر فيه أمثال أينشتاين نفسه ، قدم الفيزيائيون أخيرًا إثباتًا رياضيًا للقانون الثالث لـ الديناميكا الحرارية ، والتي تنص على أن درجة حرارة الصفر المطلق لا يمكن تحقيقها ماديًا لأنه من المستحيل أن تصل إنتروبيا (أو اضطراب) النظام إلى الصفر.

بينما العلماء يشتبه منذ فترة طويلة أن هناك حدًا جوهريًا للسرعة في فعل التبريد في كوننا يمنعنا من تحقيق الصفر المطلق (0 كلفن ، -273.15 درجة مئوية ، أو -459.67 درجة فهرنهايت) ، وهذا أقوى دليل حتى الآن على أن قوانيننا الحالية من الفيزياء تصح عندما يتعلق الأمر بأدنى درجة حرارة ممكنة.

'نظهر أنه لا يمكنك فعليًا تبريد نظام إلى الصفر المطلق بكمية محدودة من الموارد وذهبنا إلى أبعد من ذلك ،' أحد أعضاء الفريق ، لويس ماسانيس من كلية لندن الجامعية ، أخبر IFLScience.

ثم نستنتج أنه من المستحيل تبريد نظام إلى الصفر المطلق في وقت محدد ، وقمنا بتأسيس علاقة بين الوقت وأدنى درجة حرارة ممكنة. إنها سرعة التبريد.

ما يشير إليه Masanes هنا افتراضان أساسيان أن القانون الثالث للديناميكا الحرارية يعتمد على صحتها.

الأول هو أنه من أجل تحقيق الصفر المطلق في نظام مادي ، يجب أن تصل إنتروبيا النظام أيضًا إلى الصفر.

تُعرف القاعدة الثانية باسم مبدأ عدم القدرة على الوصول ، والذي ينص على أن الصفر المطلق لا يمكن الوصول إليه فعليًا لأنه لا يمكن لأي نظام الوصول إلى الصفر من الإنتروبيا.

تم اقتراح القاعدة الأولى من قبل الكيميائي الألماني والثر نيرنست في عام 1906 ، وبينما حصل على جائزة نوبل في الكيمياء ، كان من ذوي الوزن الثقيل مثل ألبرت أينشتاين و ماكس بلانك لم يقتنعوا بإثباته ، وخرجوا بهم الإصدارات الخاصة من حد تبريد الكون.

دفع هذا Nernst إلى مضاعفة تفكيره واقتراح القاعدة الثانية في عام 1912 ، معلنة أن الصفر المطلق مستحيل ماديًا.

معًا ، يُعرف الآن بهذه القواعد على أنها القانون الثالث للديناميكا الحرارية ، وبينما يبدو أن هذا القانون صحيح ، فقد بدت أسسها دائمًا صخرية قليلاً - عندما يتعلق الأمر قوانين الديناميكا الحرارية ، الثالث كان خروفًا أسود قليلاً.

'[B] نظرًا لأن الحجج السابقة ركزت فقط على آليات محددة أو كانت مشلولة بفرضيات مشكوك فيها ، فقد ظل بعض الفيزيائيين دائمًا غير مقتنعين بصلاحيتها ،' ليا كرين تشرح ل عالم جديد.

من أجل اختبار مدى قوة افتراضات القانون الثالث للديناميكا الحرارية في كليهماالأنظمة الكلاسيكية والكميةقرر ماسانيس وزميله جوناثان أوبنهايم اختبار ما إذا كان من الممكن رياضيًا الوصول إلى الصفر المطلق عندما يقتصر الأمر على الوقت والموارد المحدودة.

يقارن Masanes عملية التبريد هذه للحساب - يمكننا مشاهدة الكمبيوتر وهو يحل الخوارزمية ويسجل الوقت الذي يستغرقه ، وبنفس الطريقة يمكننا في الواقع حساب المدة التي يستغرقها النظام ليتم تبريده إلى حده النظري بسبب الخطوات المطلوبة لإزالة الحرارة.

يمكنك التفكير في التبريد على أنه 'تجريف' فعال للحرارة الموجودة في النظام وإيداعها في البيئة المحيطة.

ستحدد كمية الحرارة التي بدأ بها النظام عدد الخطوات التي سوف يستغرقها لك لتجريفها بالكامل ، كما أن حجم 'الخزان' الذي يتم إيداع هذه الحرارة فيه سيحد أيضًا من قدرتك على التبريد.

استخدام التقنيات الرياضية المشتقة من نظرية المعلومات الكمومية - وهو ما فعله أينشتاين دفعت من أجل في صياغاته الخاصة للقانون الثالث للديناميكا الحرارية - وجد Masanes و Oppenheim أنه لا يمكنك الوصول إلى الصفر المطلق إلا إذا كان لديك كل من الخطوات اللانهائية وخزان لانهائي.

وهذا ليس شيئًا بالضبط سيحصل عليه أي منا في أي وقت قريب.

هذا شيء علماء الفيزياء يشتبه منذ فترة طويلة ، بسبب الالقانون الثاني للديناميكا الحراريةتنص على أن الحرارة ستنتقل تلقائيًا من نظام أكثر دفئًا إلى نظام أكثر برودة ، وبالتالي فإن الكائن الذي تحاول تبريده سيستقبل الحرارة باستمرار من محيطه.

وعندما يكون هناك أي قدر من الحرارة داخل جسم ما ، فهذا يعني أن هناك حركة حرارية في الداخل ، مما يضمن بقاء درجة معينة من الانتروبيا دائمًا.

هذا يفسر سبب كل شيء في الكون بغض النظر عن المكان الذي تنظر فيه يتحرك قليلا جدا - لا يوجد شيء لا يزال قائمًا تمامًا وفقًا للقانون الثالث للديناميكا الحرارية.

يقول الباحثون إنهم `` يأملون أن يضع العمل الحالي القانون الثالث على قدم المساواة أكثر مع قوانين الديناميكا الحرارية الأخرى '' ، بينما يقدم في نفس الوقت أسرع معدل نظري يمكننا من خلاله بالفعل تبريد شيء ما.

بعبارة أخرى ، لقد استخدموا الرياضيات لتحديد خطوات التبريد ، مما يسمح للباحثين بتحديد حد السرعة المحدد لكيفية برودة النظام في فترة زمنية محدودة.

وهذا مهم ، لأنه حتى لو لم نتمكن من الوصول إلى الصفر المطلق ، فيمكننا الاقتراب كثيرًا ،كما أوضحت وكالة ناسا مؤخرًامع مختبر الذرة البارد ، الذي يمكن أن يصل إلى جزء من المليار من الدرجة فوق الصفر المطلق ، أو 100 مليون مرة أكثر برودة من أعماق الفضاء.

في هذه الأنواع من درجات الحرارة ، سنتمكن من رؤية سلوكيات ذرية غريبة لم نشهدها من قبل. وستكون القدرة على إزالة أكبر قدر من الحرارة من النظام أمرًا حاسمًا في السباق لبناء وظيفة وظيفية أخيرًابقدر جهاز الكمبيوتر

وأفضل جزء هو أنه في حين أن هذه الدراسة قد أزالت الصفر المطلق من على الطاولة للأبد ، لم يقترب أحد للوصول إلى درجات الحرارة أو سرعات التبريد التي تم تعيينها كحدود فعلية - على الرغم من ذلكبعض الجهود الرائعة في الآونة الأخيرة.

'العمل مهم - القانون الثالث هو أحد القضايا الأساسية للفيزياء المعاصرة ،' روني كوسلوف من الجامعة العبرية في القدس ، إسرائيل الذي لم يشارك في الدراسة ، أخبر عالم جديد.

إنها تتعلق بالديناميكا الحرارية ، وميكانيكا الكم ، ونظرية المعلومات - إنها نقطة التقاء للعديد من الأشياء.

تم نشر الدراسة في اتصالات الطبيعة.

من نحن

نشر حقائق تقارير مستقلة ومثبتة عن الصحة والفضاء والطبيعة والتكنولوجيا والبيئة.