@ 2017.04.01 , 11:00

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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