Ейнштейн помилявся: вчені вирішили 120-річну загадку, із законами фізики щось не так

Дослідження, опубліковане, опубліковане в журналі The European Physical Journal Plus, пропонує новий зв'язок між теоремою Нернста, вперше представленою в 1905 році, і другим законом термодинаміки. Фізики дійшли висновку, що третій закон термодинаміки не є незалежним законом, а є прямим наслідком другого закону термодинаміки, пише Interesting Engineering.

У Фокус. Технології з'явився свій Telegram-канал. Підписуйтесь, щоб не пропускати найсвіжіші та найзахопливіші новини зі світу науки!

Результати дослідження прояснюють, як поводиться ентропія під час наближення температури до абсолютного нуля (мінус 273 градуси Цельсія) і поглиблює розуміння одного з фундаментальних законів фізики.

Ентропія та закони термодинаміки

Ентропія — це міра безладу, хаосу або випадковості в системі. Чим більше хаосу, тим вища ентропія. У фізиці ентропія також пов'язана з розсіюванням енергії та незворотністю процесів.

Другий закон термодинаміки свідчить, що ентропія ізольованої системи (системи, на яку ззовні не діють жодні сили і не надходить енергія) завжди зростає або залишається незмінною. Це означає, що хаос у такій системі з часом буде тільки збільшуватися. Щоб підтримувати порядок, завжди потрібно витрачати енергію.

Теорема Нернста, або третій закон термодинаміки, є одним із фундаментальних принципів фізики. Її сформулював німецький фізик Вальтер Нернст 1905 року. Теорема Нернста свідчить, що в міру того як температура системи наближається до абсолютного нуля, ентропія системи також прагне до мінімального, постійного значення. Для ідеальних кристалів за абсолютного нуля ентропія стає рівною нулю.

Ейнштейн не згоден

Проблема виникла на початку XX століття, коли фізики вивчали поведінку матерії за температур, які наближаються до абсолютного нуля. Вальтер Нернст помітив, що обмін ентропією зникає, коли температура наближається до абсолютного нуля. Нернст стверджував, що абсолютний нуль не може бути досягнутий фізично. Без цього закону було б можливо побудувати ідеальний двигун, який перетворює все тепло на роботу, тим самим порушуючи другий закон термодинаміки.

Але в 1912 році Альберт Ейнштейн не погодився з цією точкою зору. Він стверджував, що двигун такого типу не може існувати, а отже, що другий закон не обов'язково має бути причиною недоступності абсолютного нуля. Аргумент Ейнштейна відокремив теорему Нернста від другого закону термодинаміки і таким чином з'явився незалежний третій закон термодинаміки.

Ейнштейн помилявся

Але автори дослідження спростовують цей поділ і вважають, що теорема Нернста є прямим наслідком другого закону термодинаміки, тому третій закон не є незалежним. Науковці переосмислили інтерпретацію термодинаміки, наголошуючи на тонкощах, які випустили з уваги Нернст та Ейнштейн.

Фізики стверджують, що другий закон термодинаміки неявно вимагає існування гіпотетичного двигуна, проте він має залишатися віртуальним, не споживаючи тепла, не виробляючи роботи і не заперечуючи другий закон термодинаміки. Цей концептуальний механізм призводить до двох ключових висновків: обмін ентропією зникає, коли температура наближається до абсолютного нуля, а сам абсолютний нуль недосяжний.

Учені також розділяють емпіричне сприйняття температури, пов'язане з відчуттями тепла і холоду, та її формальну роль як фізичної величини. За словами фізиків, на початку XX століття температуру розглядали просто як спостережуваний параметр, такий як тиск або об'єм. Але прив'язуючи температуру до другого закону термодинаміки за допомогою цього віртуального механізму, виникає більш суворе визначення, відірване від чуттєвого досвіду. Таке переосмислення істотно змінює основу доказу теореми Нернста.

Фізики вважають, що другий закон термодинаміки за своєю суттю передбачає, що ентропія досягає унікального нульового значення за абсолютного нуля температури.

Як уже писав Фокус, найвища температура, створена людьми, у 300 000 разів гарячіша за Сонце. Досі температурний рекорд, зафіксований фізиками 13 років тому в найпотужнішому прискорювачі частинок, не побитий.