物理學家證實不可能冷卻到絕對零度

1912年，化學家瓦爾特·能斯特提出在有限時間和資源內不可能將物體冷卻到絕對零度。今天人們將其稱作不可達原理，是熱力學第三定律最廣為接受的表述，但至今沒有通過熱力學第一定律得到證明。

英國倫敦大學學院的物理學家Lluís Masanes和Jonathan Oppenheim首次通過熱力學第一定律證明了第三定律。經過了100年，熱力學第三定律終於擁有了與第一定律和第二定律一樣堅實的基礎。

Masanes說道：「基礎物理的目標是推導所有自然法則，通過一小部分原則(比如量子力學，粒子物理的標準模型)的假設描述所有現象。這就是我們的工作。此外，這個推導揭示了冷卻的限制、熱容量的正性以及微觀動力學的可逆性等之間的密切聯繫。個人來講，我喜歡整個熱力學(包括第三定律)都由更基礎的原理推導而來。」

為證明第三定律，物理學家使用了計算機科學和量子資訊理論的方法。幾者之間共同存在的問題是決定執行特定任務所需要的資源量。針對冷卻問題，問題就變為了需要做多少功、要多大的冷卻器才能將物體冷卻到絕對零度(0開爾文，-273.15攝氏度，-459.67華氏度)。

遠離Boomerang Nebula的快速膨脹的氣體造成了實驗室外觀測到的最低溫度：1開爾文。

物體學家證實將系統冷卻到絕對零度要麼需要無限的功，要麼需要無窮大的容器。該發現與廣泛接受的絕對零度不可達原理的物理解釋相一致：隨著溫度接近絕對零度，系統的熵(無序性)接近於零，不可能在有限步驟內將系統轉變到零熵的狀態。

物理學家的新成果引發了第二個問題：如果我們不能達到絕對零度，那麼能接近到什麼程度呢(在有限的時間和資源條件下)？結論是這個答案比所期望的還要接近。科學家證實只需要適度增加資源，就能達到更低的溫度。但他們同時也證實的確也存在極限。比如，不可能以指數級的速度冷卻一個系統，因為這樣將會導致負的熱容量，在物理上是不可能的。

新的證明優良特性之一是不僅可應用於宏觀的傳統的系統(傳統熱力學考慮範疇)，而且可應用於量子系統以及任何類型可能的冷卻過程。

因此，該成果有廣泛的理論意義。很多技術中，將物體冷卻到低溫都是關鍵的一步，比如量子計算機，量子模擬器以及高精度儀器等。理解接近絕對零度需要的消耗能幫助未來這些應用的冷卻協議的發展和優化。

Masanes說：「由於我們對冷卻的限制有了更好的理解，我將優化現有的冷卻理論或者提出新的理論。」

[CliffBao via phys]

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