Один із найстаріших і найзаплутаніших викликів у термодинаміці – загадка Третього закону – нарешті отримав нове пояснення, яке може змінити погляд на класичні постулати цієї галузі фізики. Професор Севільського університету Хосе Марія Мартін-Олалла запропонував теоретичне рішення, яке не лише переглядає ідею Альберта Ейнштейна, а й об’єднує третій закон термодинаміки з другим, позбавляючи його статусу самостійного принципу.
Щоб дізнатись останні новини, слідкуйте за нашим каналом Google News онлайн або через застосунок.
В основі нової концепції лежить доведення того, що третє начало термодинаміки – так звана теорема Нернста – є логічним наслідком другого закону, а не окремою аксіомою. Це відкриття заповнює пробіл у фізичній теорії, який існував з початку XX століття.
У своїй статті Мартін-Олалла докладно роз’яснює поведінку ентропії в умовах, коли температура наближається до абсолютного нуля, поглиблюючи розуміння основних принципів термодинаміки та ставлячи під сумнів ключову частину ранньої інтерпретації Ейнштейна. Він стверджує: якщо ця версія правильна, то другий закон термодинаміки повинен поширюватися на ширший спектр фізичних ситуацій, тоді як третій закон зводиться до вимоги, щоб ентропія хімічно однорідної речовини зі скінченною густиною не могла бути від’ємною.
Початки цієї проблеми сягають початку минулого століття, коли фізики намагалися зрозуміти, як поводяться речовини при температурах, близьких до абсолютного нуля (-273°C). Вальтер Нернст – німецький вчений і майбутній лауреат Нобелівської премії з хімії 1920 року – з’ясував, що обмін ентропією між системами зникає, коли температура прямує до абсолютного нуля. Це спостереження потребувало нового пояснення: так народилася теорема Нернста. Вона дозволяла уникнути уявної можливості створення ідеального теплового двигуна, який повністю перетворює тепло на корисну роботу – порушення Другого закону термодинаміки.
Однак у 1912 році Альберт Ейнштейн поставив під сумнів таку логіку. Він стверджував, що навіть гіпотетично подібний двигун працювати не зможе, а отже, обмеження на досягнення абсолютного нуля не випливає з другого закону і має формулюватися окремо як третій закон. Саме цей підхід і був закріплений у науковій традиції – донині.
Нове трактування Мартіна-Олалли спростовує цю роздільність, показуючи, що твердження Нернста неминуче випливає із другого закону термодинаміки. Цим вченому вдалося створити цілісну концепцію термодинамічних законів – те, що не вдавалося зробити попередникам.
Згідно із заявою, він стверджує, що другий закон термодинаміки неявно передбачає існування гіпотетичного двигуна Нернста, який, однак, залишається лише теоретичною конструкцією – він не споживає тепло, не виконує роботу і не суперечить другому закону. Ця уявна модель дозволяє зробити два важливі висновки: обмін ентропією зникає при наближенні температури до абсолютного нуля (теорема Нернста), а сам абсолютний нуль залишається недосяжним.
По-друге, Мартін-Олалла вказує на відмінність між емпіричним розумінням температури – як відчуття тепла або холоду – та її строгим визначенням у фізичних рівняннях. На початку XX століття температуру розглядали як спостережувану величину нарівні з тиском чи об’ємом. Нова ж інтерпретація, у якій температура постає елементом математичного формалізму другого закону через віртуальний механізм, дає більш точне, абстрактне визначення цього поняття. Такий підхід змінює вихідні позиції доведення теореми.
Мартін-Олалла також зазначає, що висновок Нернста 1912 року про зникнення теплоємності поблизу абсолютного нуля хоча й правильний, але є радше додатковим наслідком, ніж окремим законом. У його моделі другий закон автоматично веде до того, що ентропія системи досягає єдиного мінімального – нульового – значення в межі абсолютного нуля.
Вперше ці висновки він представив студентам-термодинамікам Севільського університету й сподівається, що новий підхід отримає ширше визнання в академічних колах. Водночас дослідник розуміє, що перегляд фундаментальних принципів фізики неминуче викличе опір серед частини наукової спільноти, адже суперечить уявленням, які формувалися понад століття.
Читайте також:
- 380-річну задачу про коло Декарта нарешті вирішено за допомогою фізики
- Фізики відкрили новий стан матерії, названий квантовою спіновою рідиною