Доведено фізиками: охолодити об’єкт до абсолютного нуля неможливо

У 1912 році хімік Вальтер Нернст припустив, що охолодження об’єкта до абсолютного нуля неможливо за умови обмеженості часу і ресурсів. Сьогодні ця ідея є найбільш поширеною версією третього закону термодинаміки. Тепер фізики Університетського коледжу Лондона вперше вивели цей принцип з перших двох законів термодинаміки.

Щоб довести третій закон термодинаміки фізики використовували ідеї з області комп’ютерних наук і квантової теорії інформації. Є загальна проблема – визначити обсяги ресурсів, необхідних для виконання певного завдання. У випадку з охолодженням виникає питання, скільки роботи необхідно провести і наскільки великим повинен бути охолоджуючий резервуар для охолодження об’єкта до абсолютного нуля (0 за Кельвіном або -273,15 ° C).

Фізики довели, що охолоджуюча система до абсолютного нуля зажадає нескінченного кількості роботи або нескінченних розмірів резервуар. Цей висновок узгоджується з загальноприйнятим фізичним поясненням недосяжності абсолютного нуля: у міру того, як температура наближається до нуля, ентропія (безлад) системи також прагне до нуля, і це не дозволяє перевести систему в стан нульової ентропії за кінцеве число кроків.

Новий результат привів фізиків до другого питання: якщо неможливо досягти абсолютного нуля, наскільки можна наблизитися до нього (з обмеженням за часом і ресурсами)? Виявилося, що більш низької температури можна досягти при незначному збільшенні ресурсів, проте з деякими обмеженнями. Наприклад, система не може бути охолоджена експоненціально швидко, оскільки це призведе до негативної теплоємності, а це фізично неможливо.

Нове доказ підходить не тільки для законів термодинаміки, але і для квантових систем, і для будь-якого процесу охолодження.

Охолодження до дуже низьких температур є ключовим компонентом у багатьох технологіях, таких як квантові комп’ютери, квантове моделювання і високоточні вимірювання. Розуміння механізмів наближення до абсолютного нуля може допомогти в розробці і оптимізації майбутніх протоколів охолодження для цих процесів.