看起来绝对零度将永远超越我们
这是绝对的。对于冷却,数学设定了速度限制,最终证明了一个有百年历史的定律,除非你有无限的时间和资源,你无法达到温度的绝对零度。
1906年,德国化学家Walther Nernst制定了热定理(heat theorem),说明当完美晶体接近凯氏绝对零度(-273.15℃)时,系统的熵(entropy)也会变为零。这项研究成果让他获得1920年诺贝尔化学奖。
(左) 违反热力学第三定律 (右) 符合热力学第三定律
这个定理是有争议的,因为像爱因斯坦和普朗克(Max Planck)这样的重量级人士,争论着这个定理并导入自己的公式。1912年,藉由增加另一个条款,不可达到原理(unattainability principle),Nernst为他的定理辩护,声明绝对零度是在物理学上是达不到的。
总而言之,这两个规则构成了现代热力学第三定律。
但是由于早期的争论只集中在特定的机制,或是被可疑的假设严重削弱,一些物理学家总是不相信它的正确性。
数学证明
现在 伦敦大学学院(University College London)的Jonathan Oppenheim和Lluís Masanes以数学方式导出不可达到原理,并且对系统如何快速冷却设置了限制,创造出第三定律的一般证明。
Oppenheim说:“在电脑科学中,大家总是问这个问题:执行计算需要多久时间?就像计算机执行计算一样,冷却机冷却一个系统。”因此,他和Masanes问要花多久时间才会变冷。
冷却可以被认为是一系列步骤:热从系统中移除 然后一再地倒进周遭环境中,并且每做一次系统就变得更冷。要有多冷,取决于能够移走多少热,以及把热倒入的储存器大小。
藉由应用来自量子信息理论(quantum information theory)的数学技巧,他们证明没有任何真正的系统会再达到凯氏零度:它将需要无限的步骤。
虽然接近绝对零度是可能的,但是Masanes和Oppenheim量化了冷却的步骤,设定一个既定系统在有限时间内,可以达到多冷的速度限制。
移除不确定性
随着量子计算的进展,量化冷却的需求变得更为迫切。为了存储数据,量子电脑中的粒子被放置在特殊的能量状态。额外的能量以及它带来的温暖,把粒子推出这些状态,降低储存数据的品质或破坏。
Masanes说:“这不只是移除系统的能量,也是关于移除不确定性。”
这项研究所设定的限制远不及现在的技术限制:没有人达到温度或冷却速度是接近Masanes和Oppenheim所发现的界线。随着技术的改进,他们希望这些界限将开始实际上变得有意义。
耶路撒冷希伯来大学(Hebrew University of Jerusalem)的Ronnie Kosloff说:“研究成果是重要的。第三定律是当代物理学的基本问题之一,它涉及热力学、量子力学、信息理论,这是许多事物的汇合点。”