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經過100年的爭論,物理學家宣佈達到絕對零在數學上不可能

經過100多年的辯論——包括愛因斯坦也參與其中, 物理學家終於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內在的“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)雜誌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爭論。 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, 並發現可以定義冷卻時的速度限制, 防止實現絕對零度。

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, 在有限時間內把系統冷卻到絕對零度是不可能的, 並且他們還建立了時間和最低可能溫度之間的關係, 這就是冷卻速度。 就像光速一樣, 冷卻速度不是一成不變的, 而是取決於環境中聲音的速度以及能量注入的快慢。

解決方案來自量子資訊的世界。 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, 並且可以將其自身排列成更少的狀態。 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, 有很多不確定性, 因為無法確定這些粒子的狀態。 而在絕對零度時, 就可以準確地知道系統的外觀。

從這些方面進行考慮, 冷卻的任務是一個資訊問題, 研究人員的主要洞察力是瞭解這種任務的複雜性。 這個資訊理論與熱力學第二定律密切相關——其中量子資訊已經被成功地用於證明各種版本。 然而, 熱力學第三條定律並不那麼明確。

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, 並且它是極其快速的, 而我們目前是處於馬車的時代。 技術目前還沒有接近速度限制。 不過, 這項新研究將給一些特定的冷卻機賦予一個框架。

這種研究方式類似於發現光速。 知道有一個速度限制是很重要的, 即使我們離這個還遠著。 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、資訊理論,

這是許多東西的交匯點。

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