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经过100年的争论,物理学家宣布达到绝对零度在数学上不可能
爱因斯坦 2017-03-17
导语

经过100多年的辩论,物理学家终于提出了热力学第三定律的数学证明。热力学第三定律指出,绝对零度(0 K或-273.15 ℃)无法达到,因为一个系统的熵(或无序度)不可能为零。

经过100多年的辩论——包括爱因斯坦也参与其中,物理学家终于提出了热力学第三定律的数学证明。热力学第三定律指出,绝对零度(0 K或-273.15 ℃)无法达到,因为一个系统的熵(或无序度)不可能为零。

虽然科学家早就怀疑宇宙中的冷却行为有一个内在的“速度限制”,阻止我们达到绝对零度,但还未弄清楚背后的机制。

最近,在《自然通讯》杂志上刊载的一项最新研究论文,旨在通过使用量子力学原理来平息这一争论。来自伦敦大学学院的物理学家研究了这个不可达到性原理,并发现可以定义冷却时的速度限制,防止实现绝对零度。

科学家发现,不能用利用有限的资源把系统冷却到绝对零度。然后物理学家得出结论,在有限时间内把系统冷却到绝对零度是不可能的,并且他们还建立了时间和最低可能温度之间的关系,这就是冷却速度。就像光速一样,冷却速度不是一成不变的,而是取决于环境中声音的速度以及能量注入的快慢。

解决方案来自量子信息的世界。这项研究的主要观点是,冷却过程可以看作是一种计算。一个较冷的系统具有较低的能量,并且可以将其自身排列成更少的状态。因此,在具有较大能量的系统中,粒子可以排列成诸多样式。在某种程度上,有很多不确定性,因为无法确定这些粒子的状态。而在绝对零度时,就可以准确地知道系统的外观。

从这些方面进行考虑,冷却的任务是一个信息问题,研究人员的主要洞察力是了解这种任务的复杂性。这个信息理论与热力学第二定律密切相关——其中量子信息已经被成功地用于证明各种版本。然而,热力学第三条定律并不那么明确。

第三定律的推导可能有一些技术应用,但研究人员强调,其理论价值目前更重要。

该研究合著者Jonathan Oppenheim教授表示:“我们推导出冷却的速度限制,并且它是极其快速的,而我们目前是处于马车的时代。技术目前还没有接近速度限制。不过,这项新研究将给一些特定的冷却机赋予一个框架。

这种研究方式类似于发现光速。知道有一个速度限制是很重要的,即使我们离这个还远着。这项研究意义重大,因为热力学第三定律是当代物理学的根本问题之一,它涉及热力学、量子力学、信息理论,这是许多东西的交汇点。

文章链接:

Lluís Masanes, Jonathan Oppenheim, "A general derivation and quantification of the third law of thermodynamics," Nature Communications 8, Article number: 14538 (2017), doi:10.1038/ncomms14538

(本文来源:火星一号;)

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作者 爱因斯坦

科研工作者

北京航空航天大学

活跃作者
  • 爱因斯坦 科研工作者 北京航空航天大学 博士
  • 梅西 本科生 北京工业大学 本科
  • 金陵 本科生 北京大学 本科


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