Không thể có được 0 độ C tuyệt đối

Trước đây các nhà khoa học đã nghi ngờ rằng có một “giới hạn về tốc độ” khi tiến hành làm lạnh khiến chúng ta không thể đạt được nhiệt độ O tuyệt đối. Đây cũng chính là bằng chứng quan trọng chứng minh rằng những định luật hiện tại của vật lý về nhiệt độ thấp nhất có thể đạt được đã đúng.

“Chúng tôi chứng minh dược rằng bạn không thể làm lạnh một hệ thống tới mức 0 độ C tuyệt đối trong một thời gian hữu hạn và sau khi tìm hiểu sâu hơn thì chúng tôi két luận rằng thực tế là chúng ta không thể làm lạnh một hệ thống tới mức 0 độ tuyệt đối trong thời gian giới hạn. Chúng ta chỉ lập được mối quan hệ giữa thời gian và nhiệt độ thấp nhất có thể. Đó là tốc độ của việc làm lạnh” – Lluis Masanes thuộc Đại học London cho hay.

Điều mà Masanes nói đến ở đây là 2 giả thuyết căn bản để định luật thứ 3 về nhiệt động lực học dựa vào.

Giả thuyết thứ nhất là để đạt được nhiệt độ 0 tuyệt đối trong một hệ thống vật lý, entropy là một đơn vị đo nhiệt năng phát tán, hấp thụ khi một hệ vật lý chuyển trạng thái tại một nhiệt độ tuyệt đối xác định của hệ thống cũng phải đạt được nhiệt độ O độ C.

Giả thuyết thứ 2 được biết tới là nguyên tắc không đạt được, theo đó nhiệt độ 0 độ C tuyệt đối không thể đạt được bởi không hệ thống nào đạt được tới ngưỡng entropy bằng 0.

Giả thuyết đầu tiên do nhà Hóa học người Đức Walther Nernst đưa ra vào năm 1906 và nhờ giả thuyết này mà ông nhận được giải Nobel trong Hóa học. Tuy nhiên, những nhà khoa học “sừng sỏ” khác như Albert Einstein và Max Planck không đồng ý với ý kiến này và đưa ra một phiên bản của riêng mình về giới hạn làm lạnh của vũ trụ.

Chính vì sự phản đối của 2 nhà khoa học trên mà Nernst đã đưa ra định luật thứ 2 vào năm 1912, theo đó trạng thái 0 độ tuyệt đối về mặt vật lý là không thể xảy ra.

2 quy tắc này được coi là định luật động lực học thứ 3.

“Vì những tranh cãi trước đây chỉ tập trung vào những cơ chế đặc thù hoặc bị gián đoạn bởi những giả thuyết mang đầy tính thách đố, nhiều nhà vật lý học đã không tin tưởng vào tính đúng đắn của định luật này” – Leah Crane giải thích.

Để kiểm chứng độ linh hoạt của giả thuyết trong định luật thứ 3 về nhiệt động lực học trong cả những hệ thống thường và hệ thống lượng tử, Masanes và đồng nghiệp Jonathan Oppenheim đã quyết định sẽ kiểm tra xem liệu chúng ta có thể đạt được độ 0 tuyệt đối trong điều kiện giới hạn thời gian và nguồn lực hay không.

Masanes đã so sánh quá trình làm lạnh với tính toán của máy tính (máy tính tính xem hệ thống sẽ mất bao lâu để làm lạnh tới giới hạn lý thuyết.

Nhiều người nghĩ rằng làm mát là “đẩy” nhiệt độ ra khỏi hệ thống và đẩy nó vào môi trường xung quanh. Nhiệt độ của hệ thống lúc bắt đầu sẽ quyết định việc chúng ta mất bao bước để “đẩy” nhiệt độ ra ngoài và kích thước của “hồ chứa” mà nhiệt được đẩy vào cũng sẽ giới hạn khả năng làm mát.

Sử dụng kỹ thuật tính toán từ lý thuyết thông tin lượng tử - thứ mà Einstein dùng để thành lập lên định luật thứ 3 về nhiệt động lực học, Masanes và Oppenhiem thấy rằng bạn chỉ có thể đạt tới ngưỡng 0 độ tuyệt đối nếu bạn có được vô hạn các bước tiến hành và một “hồ chứa” nhiệt vô hạn.

Đây là thứ mà chúng ta khó có thể làm được trong một thời gian ngắn trước mắt.

Đây chính là điều mà các nhà vật lý trông đợi bởi nó tuân theo quy tắc thứ 2 của định luật nhiệt động lực học, theo đó khi nhiệt độ bất ngờ bị chuyển từ một hệ thống ấm hơn sơn một hệ thống lạnh hơn thì vật bạn muốn hạ nhiệt sẽ nhanh chóng lấy nhiệt từ môi trường bên ngoài.

Và khi một vật có nhiệt, tức là luôn có chuyển động nhiệt bên trong, đồng nghĩa với việc chúng ta không thể triệt tiêu được nhiệt độ entropy. Điều này chứng minh rằng không có gì trong vũ trụ này là tuyệt đối, theo định luật động nhiệt học thứ 3.