1912年，化學(xué)家瓦爾特·能斯特提出在有限時(shí)間和資源內(nèi)不可能將物體冷卻到絕對(duì)零度。今天人們將其稱作不可達(dá)原理，是熱力學(xué)第三定律最廣為接受的表述，但至今沒有通過第一性原理得到證明。

英國倫敦大學(xué)學(xué)院的物理學(xué)家Lluís Masanes和Jonathan Oppenheim首次通過第一性原理證明了熱力學(xué)第三定律。經(jīng)過了100年，熱力學(xué)第三定律終于擁有了與第一定律和第二定律一樣堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

Masanes說道：“基礎(chǔ)物理的目標(biāo)是推導(dǎo)所有自然法則，通過一小部分原則(比如量子力學(xué)，粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型)的假設(shè)描述所有現(xiàn)象。這就是我們的工作。此外，這個(gè)推導(dǎo)揭示了冷卻的限制、熱容量的正性以及微觀動(dòng)力學(xué)的可逆性等之間的密切聯(lián)系。個(gè)人來講，我喜歡整個(gè)熱力學(xué)(包括第三定律)都由更基礎(chǔ)的原理推導(dǎo)而來?！?/p>

為證明第三定律，物理學(xué)家使用了計(jì)算機(jī)科學(xué)和量子信息論的方法。幾者之間共同存在的問題是決定執(zhí)行特定任務(wù)所需要的資源量。針對(duì)冷卻問題，問題就變?yōu)榱诵枰龆嗌俟?、要多大的冷卻器才能將物體冷卻到絕對(duì)零度(0開爾文，-273.15攝氏度，-459.67華氏度)。

物體學(xué)家證實(shí)將系統(tǒng)冷卻到絕對(duì)零度要么需要無限的功，要么需要無窮大的容器。該發(fā)現(xiàn)與廣泛接受的絕對(duì)零度不可達(dá)原理的物理解釋相一致：隨著溫度接近絕對(duì)零度，系統(tǒng)的熵(無序性)接近于零，不可能在有限步驟內(nèi)將系統(tǒng)轉(zhuǎn)變到零熵的狀態(tài)。

物理學(xué)家的新成果引發(fā)了第二個(gè)問題：如果我們不能達(dá)到絕對(duì)零度，那么能接近到什么程度呢(在有限的時(shí)間和資源條件下)？結(jié)論是這個(gè)答案比所期望的還要接近。科學(xué)家證實(shí)只需要適度增加資源，就能達(dá)到更低的溫度。但他們同時(shí)也證實(shí)的確也存在極限。比如，不可能以指數(shù)級(jí)的速度冷卻一個(gè)系統(tǒng)，因?yàn)檫@樣將會(huì)導(dǎo)致負(fù)的熱容量，在物理上是不可能的。

新的證明優(yōu)良特性之一是不僅可應(yīng)用于宏觀的傳統(tǒng)的系統(tǒng)(傳統(tǒng)熱力學(xué)考慮范疇)，而且可應(yīng)用于量子系統(tǒng)以及任何類型可能的冷卻過程。

因此，該成果有廣泛的理論意義。很多技術(shù)中，將物體冷卻到低溫都是關(guān)鍵的一步，比如量子計(jì)算機(jī)，量子模擬器以及高精度儀器等。理解接近絕對(duì)零度需要的消耗能幫助未來這些應(yīng)用的冷卻協(xié)議的發(fā)展和優(yōu)化。

Masanes說：“由于我們對(duì)冷卻的限制有了更好的理解，我將優(yōu)化現(xiàn)有的冷卻理論或者提出新的理論?！?/p>

[CliffBao via phys]