رسیدن به دمای صفر مطلق در دنیای واقعی از نظر ریاضی ناشدنی است


پس از یک قرن اختلاف نظر بین دانشمندان، سرانجام ثابت شد که رسیدن به دمای صفر مطلق در دنیای واقعی ناممکن است.

پس از گذشت بیش از ۱۰۰ سال بحث علمی که در آن افرادی همچون اینشتین به همراه سایر فیزیکدانان نامی نیز درگیر بودند، در نهایت فیزیکدانان توانسته‌اند پیشنهادی برای اثبات ریاضی قانون سوم ترمودینامیک ارائه دهند. بر پایه‌ی قانون سوم ترمودینامیک، دمای صفر مطلق را هیچ‌گاه نمی‌توان به‌طور فیزیکی و در دنیای واقعی به دست آورد؛ زیرا از نظر عملی کاملا ناممکن است که آنتروپی سیستمی بتواند به مقدار صفر برسد.

 در حالی که دانشمندان به مدت طولانی در این مقوله دچار تردید بودند که شاید یک حد برای سرعت مجاز ذاتی در روند سرد شدن در جهان ما وجود داشته باشد و ما را از رسیدن به دمای صفر مطلق (منفی ۲۷۳.۱۵ درجه سانتی‌گراد) بازدارد، پیشنهاد اخیر اما قوی‌ترین شواهد را ارائه داده است که بر مبنای آن‌ها، اکنون می‌توانیم مطمئن باشیم که قوانین فعلی ما در دنیای فیزیک، حتی در هنگامی که پدیده‌ها به کمترین دمای ممکن برسند نیز پابرجا و برقرار خواهند ماند. یکی از اعضای تیم پژوهشی، لوییس ماسانز از کالج لندن در این باره چنین گفت:

 ما نشان داده‌ایم که به‌طور واقعی نمی‌توان یک سیستم را تا دمای صفر مطلق، با استفاده از یک مقدار محدود از منابع سرد کرد و علاوه بر این یافته یک گام فراتر نیز گذاشته‌ایم. ما پس از آن نتیجه گرفته‌ایم که خنک کردن یک سیستم تا صفر مطلق در زمان محدود ممکن نیست. ما همچنان رابطه‌ای بین زمان و کمترین دمای ممکن را ارائه داده‌ایم که این مقدار در واقع همان سرعت سرد شدن سیستم است.

 چیزهایی که ماسانز در اینجا به آن‌ها اشاره کرده است، در واقع به دو فرض اساسی در قانون سوم ترمودینامیک اشاره دارند و به تعبیری صحت این قانون به دو فرض بنیادی وابسته است. فرض اول این است که به‌منظور دستیابی به صفر مطلق در یک سیستم فیزیکی، آنتروپی سیستم نیز باید صفر شود.

 قانون دوم که از آن به نام «دسترس‌ناپذیری» یا unattainability یاد می‌شود، بیان می‌دارد که صفر مطلق فیزیکی قابل دسترس نیست؛ زیرا هیچ سیستم شناخته‌شده‌ای نمی‌تواند به آنتروپی صفر برسد. اولین قانون توسط شیمیدان آلمانی والتر نرنست در سال ۱۹۰۶ پیشنهاد شد و در حالی که ارائه‌ی آن قانون وی را به جایزه‌ی نوبل در شیمی رساند، دانشمندان تأثیرگذار با نام‌های بزرگی همچون آلبرت اینشتین و ماکس پلانک توسط اثبات ارائه‌شده از سوی نرنست قانع نشده بودند و با نسخه‌های مختص خود از حد سرد شوندگی جهان، به بررسی این موضوع پرداختند.

 این باعث شد نرنست تلاش و تفکر در مورد این موضوع را بیشتر کند و به این ترتیب قانون دوم را در سال ۱۹۱۲ پیشنهاد داد و بر طبق آن اعلام کرد که رسیدن به صفر مطلق از نظر فیزیکی ناممکن است. این قوانین در حال حاضر با همدیگر به‌عنوان قانون سوم ترمودینامیک شناخته می‌شوند و در حالی که به نظر می‌رسد این قانون کاملا برقرار باشد، به هر حال همواره برای برخی‌ چنان به نظر می‌رسید که پایه‌های آن کمی متزلزل باشند. در دنیای فیزیک هنگامی که سخن از قوانین ترمودینامیک به میان می‌آید، از قانون سوم این علم اندکی با احتیاط صحبت می‌شود. لیا کرین، نویسنده وب‌سایت اسپیس‌نیوز، در گفتگو با نیوساینتیست در این باره چنین توضیح داده است:

از آنجایی که مباحث اولیه تنها بر مکانیسم‌های خاص متمرکز شده بودند یا اینکه با فرض‌های سؤال‌برانگیز از کار می‌افتادند، برخی فیزیکدانان هیچ‌گاه به‌طور کامل در این باره متقاعد نشده‌اند.

ماسانز و همکارش جاناتان اوپنهایم به‌منظور آزمایش میزان پابرجایی و صحت مفروضات قانون سوم ترمودینامیک در هر دو سیستم کلاسیک و کوانتومی در دنیای واقعی، تصمیم به آزمایش این موضوع گرفتند که آیا رسیدن به صفر مطلق در هنگامی که ما زمان و منابع محدود داشته باشیم، از نظر ریاضی امکان‌پذیر است یا خیر.

 ماسانز این فرایند مقایسه را با فرایند محاسبات مقایسه می‌کند. ما می‌توانیم به تماشای یک کامپیوتر در عین حل یک الگوریتم بنشینیم و مدت‌زمانی را که برای انجام محاسبه طول می‌کشد، ثبت کنیم؛ و به همان روش، ما در واقع می‌توانیم مدت‌زمانی را که برای یک سیستم طول می‌کشد تا میزان حد نظری خود سرد شود، ثبت کنیم. این مدت‌زمان به علت گام‌های لازم برای گرفتن گرمای سیستم لحاظ می‌شود.

 شما می‌توانید فرایند سرد شدن را به‌عنوان جمع‌آوری گرمای موجود در سیستم و تخلیه‌ی آن به محیط اطراف در نظر بگیرید. میزان حرارتی که سیستم با آن شروع به کار می‌کند، شمار گام‌های لازم برای بیرون راندن یا جمع‌آوری تمامی حرارت سیستم را تعیین خواهد کرد. از سویی ظرفیت فضای اطراف که گرما در آن تخلیه می‌شود نیز بر توانایی سردسازی تأثیر دارد.

ماسانز و اوپنهایم با استفاده از تکنیک‌های ریاضی برگرفته از نظریه‌ی اطلاعات کوانتومی (همان چیزی که اینشتین در فرمولاسیون خود از قانون سوم ترمودینامیک مطرح کرده است) به این نکته پی بردند که شما فقط هنگامی می‌توانید به صفر مطلق برسید که هر دو حالت گام‌های بی‌نهایت و محیط بیرونی با ظرفیت نامحدود را داشته باشید؛ و این شرایط چیزی نیستند که برای ما در دسترس باشند.

 اما مورد فوق، پدیده‌ای بود که فیزیکدانان به مدت طولانی در موردش مردد بودند؛ زیرا قانون دوم ترمودینامیک بیان می‌کند که حرارت، خود به خود از یک سیستم گرم‌تر به یک سیستم سردتر حرکت می‌کند؛ یعنی جسمی که شما در حال تلاش برای سرد کردنش هستید، به‌طور مداوم در حال حرارت گرفتن از محیط اطراف خود است.

زمانی که هر مقداری از حرارت (هرچند اندک) در داخل یک شیء وجود داشته باشد، بدین  معنی خواهد بود که در داخل آن حرکت گرمایی وجود دارد؛ که تضمین می‌کند درجاتی از آنتروپی همیشه در آن سیستم باقی خواهد ماند.

 پدیده‌ی فوق توضیح می‌دهد که بدون در نظر گرفتن ماهیت اشیاء، هر چیزی که در جهان وجود دارد در حال حرکت است؛ هرچند مقدار آن کم باشد. با توجه به قانون سوم ترمودینامیک، هیچی چیزی در جهان هستی وجود ندارد که کاملا ثابت باشد.

 محققان امیدوارند که کار حاضر بتواند قانون سوم را در یک جایگاه محکم‌تر در کنار قوانین دیگر ترمودینامیک قرار دهد. این در حالی است که در همان زمان، کار فوق می‌تواند سریع‌ترین نرخ تئوری که در آن ما می‌توانیم چیزی را در دنیای واقعی سرد کنیم، ارائه دهد. به عبارت دیگر، آن‌ها از ریاضی برای تعیین کمی مراحل سرد شدن سیستم استفاده کرده‌اند؛ چیزی که به محققان اجازه می‌دهد محدودیت سرعتی را برای اینکه یک سیستم در یک زمان محدود تا چه حدی می‌تواند سرد شود، تعریف کنند.

 باید بگوییم  دستاورد فوق مهم است، چرا که حتی اگر ما هرگز نتوانیم به صفر مطلق برسیم، می‌توانیم تا حد زیادی به آن نزدیک شویم. چنین کاری را ناسا به‌تازگی در آزمایشگاه اتم سرد خود توانسته انجام دهد. آن‌ها در فرایندی توانسته‌اند به دمای یک میلیاردم درجه‌ بالاتر از صفر مطلق برسند. این دما در واقع به میزان ۱۰۰ میلیون بار از دمای اعماق فضا سردتر است.

 در این میزان از درجه‌ی حرارت، ما قادر به دیدن رفتارهای اتمی عجیب و غریبی خواهیم بود که پیش از این هرگز مشاهده نشده است. همچنین توانایی تخلیه‌ی چنین میزان گرمایی از سیستم، می‌تواند در آینده در مسیر تلاش‌های دانشمندان برای ساخت کامپیوترهای کوانتومی با کارکرد مناسب، حیاتی باشد.

 بهترین بخش از پژوهش اخیر را هم می‌توان به این صورت بیان کرد: در حالی که این مطالعه مسیر خوبی روی کاغذ برای رسیدن به صفر مطلق ترسیم کرده است، هیچ‌کس در حال حاضر حتی به مقداری اندکی نیز به حصول این دما یا سرعت‌های سرد شوندگی که به‌عنوان محدودیت‌های فیزیکی سیستم خنک‌کننده در نظر گرفته‌اند، نزدیک نشده است. البته باید در نظر داشته باشیم که شماری از تلاش‌های تأثیرگذار و قابل ملاحظه در این اواخر صورت گرفته است. رونی کوزلف، دانشمندی که در این پژوهش نقش نداشته، درباره‌ی آن چنین گفته است:

کار اخیر مهم است. موضوع قانون سوم ترمودینامیک یکی از اساسی‌ترین موضوعات فیزیک معاصر است. این قانون، علوم ترمودینامیک، مکانیک کوانتومی و نظریه‌ی اطلاعات را با هم مربوط می‌کند و نقطه‌ی تلاقی بسیاری از پدیده‌ها است.

 دستاوردهای این مطالعه در مجله‌ی Nature Communications منتشر شده است.



منبع :زومیت