Доказано физиками: охладить объект до абсолютного нуля невозможно

В 1912 году химик Вальтер Нернст предположил, что охлаждение объекта до абсолютного нуля при условии ограниченности времени и ресурсов невозможно. Сегодня эта идея является наиболее распространенной версией третьего закона термодинамики. Теперь физики Университетского колледжа Лондона впервые вывели этот принцип из первых двух законов термодинамики.

Чтобы доказать третий закон термодинамики физики использовали идеи из области компьютерных наук и квантовой теории информации. Есть общая проблема – определить объемы ресурсов, необходимых для выполнения определенной задачи. В случае с охлаждением возникает вопрос, сколько работы необходимо провести и насколько большим должен быть охлаждающий резервуар для охлаждения объекта до абсолютного нуля (0 по Кельвину или -273,15°C).

Физики доказали, что охлаждение системы до абсолютного нуля потребует бесконечного количества работы или бесконечных размеров резервуар. Этот вывод согласуется с общепринятым физическим объяснением недостижимости абсолютного нуля: по мере того, как температура приближается к нулю, энтропия (беспорядок) системы также стремится к нулю, и это не позволяет перевести систему в состояние нулевой энтропии за конечное число шагов.

Новый результат привел физиков ко второму вопросу: если невозможно достигнуть абсолютного нуля, насколько можно приблизиться к нему (с ограничением по времени и ресурсам)? Оказалось, что более низкой температуры можно достичь при незначительном увеличении ресурсов, однако с некоторыми ограничениями. Например, система не может быть охлаждена экспоненциально быстро, поскольку это приведет к отрицательной теплоемкости, а это физически невозможно.

Новое доказательство подходит не только для законов термодинамики, но и для квантовых систем, и для любого процесса охлаждения.

Охлаждение до очень низких температур является ключевым компонентом во многих технологиях, таких как квантовые компьютеры, квантовое моделирование и высокоточные измерения. Понимание механизмов приближения к абсолютному нулю может помочь в разработке и оптимизации будущих протоколов охлаждения для этих процессов.