اثبات قانون سوم ترمودینامیک پس از ۱۰۰ سال: رسیدن به دمای صفر مطلق، غیرممکن است!

در سال ۱۹۱۲، شیمیدانی به‌نام والتر نرنست مدعی شد سرد کردن یک جسم تا دمای صفر مطلق، با زمان و منابع محدود، غیرممکن است. این ایده، به اصل دسترس ناپذیری صفر مطلق مشهور شد. این اصل که مقبول‌ترین نسخه‌ی قانون سوم ترمودینامیک است، تاکنون، ثابت نشده بود، اما حالا دانشمندان پس از ۱۰۰ سال، موفق به اثبات قانون سوم ترمودینامیک از اصول اولیه شده‌اند. این نتیجه، قانون سوم ترمودینامیک را در مرتبه‌ی اعتبار دو قانون اول و دوم ترمودینامیک قرار می‌دهد، چرا که این دو قانون قبلا ثابت شده بودند. نتایج این پژوهش، هفته پیش در مجله Nature Communications منتشر شد. برای آگاهی از جزییات این مقاله جنجالی، با دیپ لوک همراه باشید…

ماسانز، نویسنده اول این مقاله می‌گوید:

هدف فیزیک بنیادی،‌ بدست آوردن تمام قوانین طبعیت و توصیف تمام پدیده‌ها با استفاده از یک سری اصول و فرضیات اولیه است. این دقیقا چیزی است که ما انجام می‌دهیم. این نتیجه، ارتباط قدرتمندی بین محدودیت‌های سرد سازی، مثبت بودن ظرفیت گرمایی، برگشت‌ پذیری دینامیک میکروسکوپی، نشان می‌دهد. من شخصا دوست دارم که تمام ترمودینامیک از اصول بنیادی‌تری بدست آید.

دانشمندان برای اثبات قانون سوم ترمودینامیک ، ایده‌هایی از علوم کامپیوتر و نظریه اطلاعات کوانتومی، وام گرفتند. آنجا یک مشکل رایج، تعیین میزان منابع موردنیاز برای انجام یک کار مشخص است. زمانیکه این ایده‌ها را در مورد سردسازی به‌کار می‌بریم، این سوال، پیش می‌آید که چه مقدار کار باید انجام شود و چه مخزنی باید برای سردکردن یک شی تا صفر مطلق (یعنی صفر کلوین یا ۲۷۳.۱۵- درجه سانتیگراد)، استفاده شود؟

فیزیکدانان نشان دادند که سرد کردن یک سیستم تا صفر مطلق، به مقدار نامحدودی کار یا یک مخزن بی‌نهایت، نیاز دارد. این نتیجه با توضیح فیزیکی اصل دسترس‌ ناپذیری صفر مطلق، سازگاری دارد: هرچه دما به صفر مطلق، نزدیک می‌شود، انتروپی سیستم (بی نظمی) نیز به صفر نزدیک می‌شود. این در حالیست که تهیه یک سیستم در حالت انتروپی صفر و طی مراحل محدودی، غیرممکن است.

این نتیجه‌ی جدید، سوال دومی را برای فیزیکدانان، مطرح کرد: قبول! ما نمی‌توانیم به صفر مطلق برسیم، اما با زمان و منابع محدود، چقدر می‌توانیم به آن نزدیک شویم؟ دانشمندان نشان دادند با ارتقای اندک منابع، می‌توان به دماهای نزدیک به صفر مطلق رسید. از طرفی آنها نشان دادند که در این مرحله، محدودیت‌هایی هم وجود دارد، مثلا یک سیستم نمی‌تواند به‌طور نمایی و به‌سرعت سرد شود، زیرا در اینصورت، ظرفیت گرمایی منفی خواهد شد که از نظر فیزیکی، غیرممکن است.

یکی از ویژگی‌های خوب این پژوهش، این است که نه تنها برای سیستم‌های کلاسیکی و بزرگ (که ترمودینامیک کلاسیکی با آنها سروکار دارد) بلکه برای سیستم های کوانتومی و هر گونه فرآیند ممکن سردسازی، قابل اعمال است. به همین دلیل، این پژوهش، کاربردهای نظری گسترده‌ای خواهد داشت. سردسازی تا دماهای بسیار پایین، عنصری کلیدی در بسیاری از تکنولوژی‌ها مانند کامپیوترهای کوانتومی، شبیه سازی های کوانتومی و اندازه گیری های دقیق است. درک اینکه در نزدیکی صفر مطلق، چه اتفاقی می‌افتد، می‌تواند به بهینه‌سازی روش‌های سردسازی آینده کمک کند. حالا ما درک بهتری از محدودیت‌های سردسازی داریم.

[gview file=”http://www.deeplook.ir/wp-content/uploads/2017/03/masanes2017.pdf” profile=”3″ save=”1″]