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熱力學第三定律表明什麼不可達到

生活更新时间:2024-12-24 03:51:05

熱力學第三定律表明什麼不可達到（物理學家終于給出熱力學第三定律的數學證明）1

經過100多年的辯論——包括愛因斯坦也參與其中，物理學家終于提出了熱力學第三定律的數學證明。熱力學第三定律指出，絕對零度（0 K或-273.15 ℃）無法達到，因為一個系統的熵（或無序度）不可能為零。

雖然科學家早就懷疑宇宙中的冷卻行為有一個内在的“速度限制”，阻止我們達到絕對零度，但還未弄清楚背後的機制。

最近，在《自然通訊》（Nature Communications）雜志上刊載的一項新研究，旨在通過使用量子力學原理來平息這一争論。來自倫敦大學學院的物理學家研究了這個不可達到性原理，并發現可以定義冷卻時的速度限制，防止實現絕對零度。

熱力學第三定律表明什麼不可達到（物理學家終于給出熱力學第三定律的數學證明）2

科學家發現，不能用利用有限的資源把系統冷卻到絕對零度。然後物理學家得出結論，在有限時間内把系統冷卻到絕對零度是不可能的，并且他們還建立了時間和最低可能溫度之間的關系，這就是冷卻速度。就像光速一樣，冷卻速度不是一成不變的，而是取決于環境中聲音的速度以及能量注入的快慢。

解決方案來自量子信息的世界。這項研究的主要觀點是，冷卻過程可以看作是一種計算。一個較冷的系統具有較低的能量，并且可以将其自身排列成更少的狀态。因此，在具有較大能量的系統中，粒子可以排列成諸多樣式。在某種程度上，有很多不确定性，因為無法确定這些粒子的狀态。而在絕對零度時，就可以準确地知道系統的外觀。

從這些方面進行考慮，冷卻的任務是一個信息問題，研究人員的主要洞察力是了解這種任務的複雜性。這個信息理論與熱力學第二定律密切相關——其中量子信息已經被成功地用于證明各種版本。然而，熱力學第三條定律并不那麼明确。

熱力學第三定律表明什麼不可達到（物理學家終于給出熱力學第三定律的數學證明）3

第三定律的推導可能有一些技術應用，但研究人員強調，其理論價值目前更重要。

該研究合著者Jonathan Oppenheim教授表示：“我們推導出冷卻的速度限制，并且它是極其快速的，而我們目前是處于馬車的時代。技術目前還沒有接近速度限制。不過，這項新研究将給一些特定的冷卻機賦予一個框架。

這種研究方式類似于發現光速。知道有一個速度限制是很重要的，即使我們離這個還遠着。這項研究意義重大，因為熱力學第三定律是當代物理學的根本問題之一，它涉及熱力學、量子力學、信息理論，這是許多東西的交彙點。

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