صفر مطلق دست نیافتنی است

در سال 1906 شیمی‌دان آلمانی، « والتر نرنست» قضیه حرارت نرنست را فرمول بندی کرد. این قضیه می‌گوید؛ وقتی که یک کریستال کامل به صفر مطلق یا 273.15- درجه سانتیگراد نزدیک می‌شود، آنتروپی سیستم هم به سمت صفر میل می‌کند. این کار برای نرنست نوبل شیمی سال 1920 را به ارمغان آورد. این فرمول به این معنی است که اگر به صفرمطلق برسید، به دلیل صفر شدن آنتروپی که کمیت بی‌نظمی هر سیستمی است، همه فعالیت‌های سیستم، حتی حرکت ذرات بنیادین هم متوقف می‌شود.

اما این قانون بسیار بحث برانگیز بوده و فیزیک‌دان‌های نامی همچون آلبرت انیشتین و ماکس پلانک در مورد آن بحث کرده و فرمول‌های خودشان را برای آن معرفی کرده‌اند. در سال 1912 نرنست با اضافه کردن یک شرط دیگر، از فرمولش درباره سرد شدن اتم‌ها به سمت صفرمطلق دفاع کرد. این شرط که به اصل عدم دست‌یابی مشهور است، بیان می‌کند؛ که صفر مطلق به صورت فیزیک قابل دست‌یابی نیست.

به همراه هم این دو قانون شکل دهنده قانون سوم ترمودینامیک هستند. این قانون می‌گوید؛ وقتی که انرژی یک سیستم به حداقل مقدار خود میل می‌کند، آنتروپی سیستم به مقدار قابل چشم‌پوشی می‌رسد. اما به دلیل این‌که مخالفت‌های اولیه روی مکانیسم خاص متمرکز شده بودند، برخی فیزیک‌دان‌ها هیچ وقت درباره درستی این قانون قانع نشدند.

 

اثبات ریاضی

اما حالا « جاناتان اپنهیم» و « لوییز میسنس» از کالج لندن به صورت ریاضی اصل عدم دست‌یابی را اثبات، محدودیتی روی سرعت سرد شدن یک سیستم اعمال و به صورت کلی قانون سوم ترمودینامیک را اثبات کردند.« در علوم کامپیوتر افراد دائما این سوال‌ها را می‌پرسند؛ این محاسبات چقدر طول می‌کشد؟» این را اپنهیم می‌گوید و ادامه می‌دهد:« درست شبیه یک کامپیوتر که محاسبات را انجام می‌دهد، یک ماشین خنک کننده یک سیستم را خنک می‌کند». بنابراین او و میسنس این سوال را پرسیدند که سرد تا شدن صفر مطلق چقدر طول می‌کشد؟

برای پاسخ دادن به این سوال می‌توان فرآیند خنک کردن را به شکل یک دنباله از گام‌های کوچک در نظر گرفت. در این فرآیند حرارت از سیستم زدوده شده و در محیط اطراف انباشته می‌شود. این فرآیند بارها و بارها تکرار شده و سیستم هر بار خنک و خنک‌تر می‌شود. این که سیستم تا چه اندازه خنک شود، بستگی مستقیم به کار انجام شده و ابعاد ذخیره سازی حرارات گرفته شده از سیستم دارد. با به کارگیری تکنیک‌های ریاضی از تئوری اطلاعات کوانتومی، آن‌ها ثابت کردند که یک سیستم واقعی هیچ‌گاه به صفر مطلق نخواهد رسید و این کار به تعداد بی‌نهایت گام نیاز دارد. این به این معنی است، که نزدیک شدن به صفر مطلق امکان‌پذیر است، هرچند این تحقیق نشان داد که رسیدن به این مرحله بی‌نهایت طول می‌کشد.

رفع عدم قطعیت

با پیشرفت محاسبات کوانتومی، نیاز برای تعیین کمیت و گام‌های سرمایش بیشتر و بیشتر می‌شود. برای ذخیره کردن اطلاعات باید ذرات بنیادین در کامپیوتر‌های کوانتومی در سطح انرژی خاصی قرار گیرند. انرژی و گرمای بیشتر ذرات را از این حالت خارج کرده وباعث از بین رفتن و خرابی اطلاعات می‌شود. « این تنها کم کردن از میزان انرژی سیستم نیست، این درباره از بین بردن عدم قطعیت است» این را میسنس می‌گوید.

محدودیت تعیین شده به وسیله این تحقیق بسیار بسیار فراتر از محدودیت‌های تکنولوژیک فعلی است. در واقع هنوز هیچ کس به نزدیکی‌های مرزی که این دو برای سرد شدن تعیین کرده‌اند، نرسیده است. اما با پیشرفت تکنولوژی ممکن است این مرز‌ها به صورت عملی سنجیده شوند. علاوه بر این این کار از این جهت اهمیت دارد که قانون سوم ترمودینامیک یکی از پایه‌های فیزیک معاصر است. 

علی رنجبران

No tags for this post.