(Phys.org)—1912, kemisten Walther Nernst föreslog att kylning av ett objekt till absolut noll är omöjligt med en begränsad mängd tid och resurser. Idag denna idé, kallad ouppnåelighetsprincipen, är den mest allmänt accepterade versionen av termodynamikens tredje lag - men än så länge har den inte bevisats från första principer.

Nu för första gången, fysikerna Lluís Masanes och Jonathan Oppenheim vid University College of London har härlett termodynamikens tredje lag från de första principerna. Efter mer än 100 år, resultatet sätter slutligen den tredje lagen på samma fot som termodynamikens första och andra lag, båda har redan bevisats.

"Målet med fundamental fysik är att härleda alla naturlagar och att beskriva alla fenomen genom att bara anta en liten uppsättning principer (som kvantmekanik, standardmodellen för partikelfysik, etc.), " berättade Masanes Phys.org . "Och det är vad vi gör. Dessutom, denna härledning avslöjar de starka sambanden mellan begränsningarna för kylning, positiviteten hos värmekapaciteten, reversibiliteten av mikroskopisk dynamik, etc. Personligen, Jag älskar att hela termodynamiken (inklusive den tredje lagen) har härletts från mer grundläggande principer."

För att bevisa den tredje lagen, fysikerna använde idéer från datavetenskap och kvantinformationsteori. Där, ett vanligt problem är att bestämma mängden resurser som krävs för att utföra en viss uppgift. När den appliceras på kylning, frågan blir hur mycket arbete som måste göras och hur stor kylbehållaren måste vara för att kyla ett objekt till absolut noll (0 Kelvin, -273,15°C, eller -459,67°F)?

Fysikerna visade att kylning av ett system till absolut noll kräver antingen en oändlig mängd arbete eller en oändlig reservoar. Detta fynd stämmer överens med den allmänt accepterade fysiska förklaringen av ouppnåeligheten av absoluta nollpunkten:När temperaturen närmar sig noll, systemets entropi (störning) närmar sig noll, och det är inte möjligt att förbereda ett system i ett tillstånd av nollentropi i ett ändligt antal steg.

Det nya resultatet ledde fysikerna till en andra fråga:Om vi ​​inte kan nå absoluta noll, hur nära kan vi komma (med begränsad tid och resurser)? Det visar sig att svaret ligger närmare än man kan förvänta sig. Forskarna visade att lägre temperaturer kan uppnås med endast en blygsam ökning av resurserna. Men de visade också att det finns gränser här, också. Till exempel, ett system kan inte kylas exponentiellt snabbt, eftersom detta skulle resultera i en negativ värmekapacitet, vilket är en fysisk omöjlighet.

En av de fina egenskaperna med det nya beviset är att det inte bara gäller stora, klassiska system (som traditionell termodynamik vanligtvis handlar om), men också till kvantsystem och till alla tänkbara typer av kylprocesser.

Av denna anledning, resultaten har utbredda teoretiska implikationer. Kylning till mycket låga temperaturer är en nyckelkomponent i många tekniker, som kvantdatorer, kvantsimuleringar, och högprecisionsmätningar. Att förstå vad som krävs för att komma nära absolut noll kan hjälpa till att vägleda utvecklingen och optimeringen av framtida kylprotokoll för dessa applikationer.

"Nu när vi har en bättre förståelse för begränsningarna av kylning, Jag skulle vilja optimera de befintliga kylningsmetoderna eller komma på nya, sa Masanes.

© 2017 Phys.org