بیگ بنگ: قانون سوم ترمودینامیک در تعریف صفر مطلق (پایین ترین دمای ممکن) نقش ِ موثری دارد. اگرچه این مفهوم برای همگان شناخته شده است، اما بحث های داغى پیرامون آن در مقاله های دانشگاهی صورت پذیرفته است. اگر آنتروپى (بی نظمی) هرگز به صفر نرسد، آیا امکان آن وجود دارد که دما در چندین مرحله متناهی به صفر مطلق دست یابد؟

به گزارش بیگ بنگ، محققان در مقالۀ جدید درصدد شفاف سازی این بحث با استفاده از اصل مکانیک کوانتومی میباشد. محققانی از دانشگاه کالج لندن به مطالعۀ “اصل دسترس ناپذیری” پرداختند. آنان دریافتند که می توان یک حدّ سرعت برای سردسازی تعریف کرد که از حُصول صفر مطلق جلوگیری به عمل می آورد. بر طبق اصل دسترس ناپذیری، امکان سرد کردن یک سامانه با چندین مرحله متناهی، وجود ندارد. صفر مطلق فیزیکی قابل دسترس نیست؛ زیرا هیچ سیستم شناخته‌شده‌ای نمی‌تواند به آنتروپی صفر برسد. موضوع قانون سوم ترمودینامیک یکی از اساسی‌ترین موضوعات فیزیک معاصر است. این قانون، علوم ترمودینامیک، مکانیک کوانتومی و نظریه‌ی اطلاعات را با هم مرتبط می‌کند و نقطه‌ی تلاقی بسیاری از پدیده‌ها است.

دکتر لوييس ماسانز گفت: یافته های ما نشان می دهد که شما به‌طور واقعی نمی‌توانید یک سیستم را تا دمای صفر مطلق، با استفاده از یک مقدار محدود از منابع سرد کنید 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.

سرعت سردسازی مثل سرعت نور به سرعت صدا در محيط و سرعت ورود انرژی به درون آن بستگی دارد. راه حل پیشنهادی در دنیای اطلاعات کوانتومی قرار دارد. نکته مهم تحقیقات انجام شده این است که می توان به فرآیند سردسازی از دیدگاه یک محاسبه نگاه کرد. سامانه سرد (خُنک) انرژی کمتری دارد و می تواند در حالات کمتری آرایش یابد. لذا سیستمی که از انرژی بالایی بهره می برد، ذراتش می توانند در حالات مختلفی آرایش پیدا کنند. در صفر مطلق، می دانیم که سامانه از چه وضعیتی برخوردار است.

ماسانز افزود: با این شرایط، عمل سردسازی با مشکل اطلاعاتی ارتباط دارد. پس می بایست به پیچیدگی این کار پی برد. نظریه اطلاعات ارتباط نزدیکی با قانون دوم ترمودینامیک دارد؛ طوریکه اطلاعات کوانتومی بصورت موفقیت آمیزی برای تصدیق نسخه های متعددی استفاده شده است. اما قانون سوم ترمودینامیک به این سادگی نیست. توجه به این قانون می تواند در حوزه فناوری کاربردهایی داشته باشد، اما محققان بر این نکته تاکید می ورزند که در حال حاضر، ارزش نظری این قانون بسیار بیشتر است.

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. اوپنهايم گفت: فناوری های فعلی فاصله زیادی با حدّ سرعت دارد، اگرچه چارچوبی برای دستگاه های سردسازی فراهم می کند.

این تحقیق تا حدی به کشف سرعت نور شباهت دارد. با خبر بودن از وجود محدودیت گام مهمی به شمار می آید. 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. جزئیات بیشتر این پژوهش در نشریۀ Nature Communications منتشر شده است.

ترجمه: منصور نقی لو/ سایت علمی بیگ بنگ

منبع: iflscience.com