@ 2017.04.01 , 11:00
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物理学家证实不可能冷却到绝对零度

1912年,化学家瓦尔特·能斯特提出在有限时间和资源内不可能将物体冷却到绝对零度。今天人们将其称作不可达原理,是热力学第三定律最广为接受的表述,但至今没有通过第一性原理得到证明。

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英国伦敦大学学院的物理学家Lluís Masanes和Jonathan Oppenheim首次通过第一性原理证明了热力学第三定律。经过了100年,热力学第三定律终于拥有了与第一定律和第二定律一样坚实的基础。

Masanes说道:“基础物理的目标是推导所有自然法则,通过一小部分原则(比如量子力学,粒子物理的标准模型)的假设描述所有现象。这就是我们的工作。此外,这个推导揭示了冷却的限制、热容量的正性以及微观动力学的可逆性等之间的密切联系。个人来讲,我喜欢整个热力学(包括第三定律)都由更基础的原理推导而来。”

为证明第三定律,物理学家使用了计算机科学和量子信息论的方法。几者之间共同存在的问题是决定执行特定任务所需要的资源量。针对冷却问题,问题就变为了需要做多少功、要多大的冷却器才能将物体冷却到绝对零度(0开尔文,-273.15摄氏度,-459.67华氏度)。

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远离Boomerang Nebula的快速膨胀的气体造成了实验室外观测到的最低温度:1开尔文。

物体学家证实将系统冷却到绝对零度要么需要无限的功,要么需要无穷大的容器。该发现与广泛接受的绝对零度不可达原理的物理解释相一致:随着温度接近绝对零度,系统的熵(无序性)接近于零,不可能在有限步骤内将系统转变到零熵的状态。

物理学家的新成果引发了第二个问题:如果我们不能达到绝对零度,那么能接近到什么程度呢(在有限的时间和资源条件下)?结论是这个答案比所期望的还要接近。科学家证实只需要适度增加资源,就能达到更低的温度。但他们同时也证实的确也存在极限。比如,不可能以指数级的速度冷却一个系统,因为这样将会导致负的热容量,在物理上是不可能的。

新的证明优良特性之一是不仅可应用于宏观的传统的系统(传统热力学考虑范畴),而且可应用于量子系统以及任何类型可能的冷却过程。

因此,该成果有广泛的理论意义。很多技术中,将物体冷却到低温都是关键的一步,比如量子计算机,量子模拟器以及高精度仪器等。理解接近绝对零度需要的消耗能帮助未来这些应用的冷却协议的发展和优化。

Masanes说:“由于我们对冷却的限制有了更好的理解,我将优化现有的冷却理论或者提出新的理论。”

本文译自 phys,由译者 CliffBao 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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  1. 3414939

    好学的周六?

  2. LYN-CS
    @1 year ago
    3414940

    车田正美你个大骗子

  3. 神响
    @1 year ago
    3414941

    其实可以。只是不在我们这个维度。我们这个维度背景能量高了。就像一层网。拦住了下坠的球体。

  4. 3414945

    所以哪怕是钢铁加鲁鲁也不行是吗

  5. 小王
    @1 year ago
    3414947

    很难么?照照镜子不就行了!

  6. Vanessa
    @1 year ago
    3414960

    物理学上,除了热理论的任何物理理论,都不考虑对象的温度和时间。像经典力学,相对论和量子论都可以在绝对零度之下适用,甚至在时间可逆的条件下。而热理论却与时间密切相关,同时引力也可以影响时间,这确实令人联想到更高一层的理论,这个理论包含了时间、热和引力三者关系的内容…

  7. 胸针
    @1 year ago
    3414984

    我能看懂每一个字

  8. Johnny
    @1 year ago
    3414990

    这么说三体水滴外面那层绝对零度致密金属壳做不出来了?

  9. 啼血
    @1 year ago
    3414996

    今天的文章好学术啊!但是比起之前的来说相对容易看懂一些了!支持~!

  10. 东岳整人
    @1 year ago
    3415006

    那我国能监测零下500度的卫星要来有何用!

  11. 老蛋
    @1 year ago
    3415007

    绝对零度的物体就像地球上横着系好的晾衣绳,无论你用多大力量绷紧,它永远会往下垂一点点。

  12. 蹲得脚发麻
    @1 year ago
    3415012

    啊啊啊——好吧,如果地球毁灭只能选择让一部分人上飞船的话,机会果然还是留给这些科学家比较超值

  13. 3415026

    证明一个物理定律,煎蛋ok

  14. 上次什么名字
    @1 year ago
    3415060

    @蹲得脚发麻: 还得有工科的,科学家主要是理论,造东西不行

  15. 3415076

    @东岳整人: 局座说 零下七百度

  16. 炒饼男
    @1 year ago
    3415080

    烤面包机完胜!

  17. alpha_boy
    @1 year ago
    3415089

    诶,不是也有猜想说存在多元宇宙吗?如果集中几百个多元宇宙的能量,物质去造冷却器,在局部冷却一个宇宙的一小部分区域呢?

  18. 呵呵
    @1 year ago
    3415178

    @东岳整人: 我有监测零下500度的卫星有何用,我有40米长刀又如何

  19. 3415197

    @LYN-CS: 他只是没文化

  20. 3415198

    @东岳整人: 这是国家顶级机密。

  21. Codetrick
    @1 year ago
    3415310

    错译:first principles应译为第一性原理,非热力学第一定律。

  22. CliffBao
    @1 year ago
    3415351

    @Codetrick: 感谢指正,已修改

  23. 3415422

    亲身经历过宇宙的热寂你和我说这样的话

  24. 3415444

    Law, Theorem, Principle之类的,我说你们真的搞得清楚吗

  25. 一只大河蟹
    @1 year ago
    3416692

    全是中文看不懂系列

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