冷卻到絕對零度在數學上被認定為不可能!

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看起來絕對零度將永遠超越我們

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這是絕對的。對於冷卻,數學設定了速度限制,最終證明了一個有百年歷史的定律,除非你有無限的時間和資源,你無法達到溫度的絕對零度。

1906年,德國化學家Walther Nernst制定了熱定理(heat theorem),說明當完美晶體接近凱氏絕對零度(-273.15℃)時,系統的熵(entropy)也會變為零。這項研究成果讓他獲得1920年諾貝爾化學獎。

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(左) 違反熱力學第三定律 (右) 符合熱力學第三定律

這個定理是有爭議的,因為像愛因斯坦和普朗克(Max Planck)這樣的重量級人士,爭論著這個定理並導入自己的公式。1912年,藉由增加另一個條款,不可達到原理(unattainability principle),Nernst為他的定理辯護,聲明絕對零度是在物理學上是達不到的。

總而言之,這兩個規則構成了現代熱力學第三定律

但是由於早期的爭論只集中在特定的機制,或是被可疑的假設嚴重削弱,一些物理學家總是不相信它的正確性。

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數學證明

現在 倫敦大學學院(University College London)的Jonathan OppenheimLluís Masanes以數學方式導出不可達到原理,並且對系統如何快速冷卻設置了限制,創造出第三定律的一般證明。

Oppenheim說:「在電腦科學中,大家總是問這個問題:執行計算需要多久時間?就像計算機執行計算一樣,冷卻機冷卻一個系統。」因此,他和Masanes問要花多久時間才會變冷。

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冷卻可以被認為是一系列步驟:熱從系統中移除 然後一再地倒進周遭環境中,並且每做一次系統就變得更冷。要有多冷,取決於能夠移走多少熱,以及把熱倒入的儲存器大小。

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藉由應用來自量子信息理論(quantum information theory)的數學技巧,他們證明沒有任何真正的系統會再達到凱氏零度:它將需要無限的步驟。

雖然接近絕對零度是可能的,但是Masanes和Oppenheim量化了冷卻的步驟,設定一個既定系統在有限時間內,可以達到多冷的速度限制。

移除不確定性

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隨著量子計算的進展,量化冷卻的需求變得更為迫切。為了存儲數據量子電腦中的粒子被放置在特殊的能量狀態。額外的能量以及它帶來的溫暖,把粒子推出這些狀態,降低儲存數據的品質或破壞。

Masanes說:「這不只是移除系統的能量,也是關於移除不確定性。」

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這項研究所設定的限制遠不及現在的技術限制:沒有人達到溫度或冷卻速度是接近Masanes和Oppenheim所發現的界線。隨著技術的改進,他們希望這些界限將開始實際上變得有意義。

耶路撒冷希伯來大學(Hebrew University of Jerusalem)的Ronnie Kosloff說:「研究成果是重要的。第三定律是當代物理學的基本問題之一,它涉及熱力學、量子力學、信息理論,這是許多事物的匯合點。」

「語音合成由賽微科技提供」

來源:New Scientist