НОВИНИ


МАТЕМАТИКАТА ПОСТАВИ ОГРАНИЧЕНИЕ НА СКОРОСТТА НА ОХЛАЖДАНЕ
17.03.2017

Снимка: Pinterest

Математици доказаха, че е невъзможно да се охлади една система до абсолютната нула за крайно време и показаха връзката между времето и възможно най-ниската температура, съобщи NewScientist.
 

С други думи математически бе поставено и доказано ограничението на скоростта на охлаждане, най-накрая, доказвайки един стогодишен закон, че дори да имате безкрайно време и ресурси, не може да се достигне до абсолютната нула на температурата.

Новата статия, публикувана в Nature Communication, успя да докаже една от най-известните интерпретации на третия закон на термодинамиката като използва принцип на квантовата механика.

През 1906 г. немският химик Валтер Нернст (Walther Nernst) формулира третия закон на термодинамиката или топлинната теорема  на Нернст, която гласи, че когато една система се доближава до абсолютната нула - 0 Келвина (-273,15 ° C), ентропията на системата също се стреми към нула. Тази работа му спечелва Нобелова награда за химия през 1920 година. 

Това правило обаче се оспорва, гиганти като Алберт Айнщайн и Макс Планк го обсъждат и въвеждат свои собствени варианти. През 1912 г. Нернст защитава своята версия като добавя друга клауза, принципа на непостижимост, който гласи, че абсолютната нула е физически недостъпна.

Взети заедно, тези две правила съставят модерния трети закон на термодинамиката. Но все още има съмняващи се физици, които остават не докрай убедени на неговата валидност.

Математическото доказателство

Сега Джонатан Опенхайм (Jonathan Oppenheim) и Луис Масейнс (Lluís Masanes) в Университетския колеж Лондон (University College London) математически са получили принципа на непостижимост и поставят ограничение за това, колко бързо една система може да се охлади, давайки генерално доказателство за третия закон.

Решението идва от света на квантовата информация. Основният извод от изследването е, че процесът на охлаждане може да се разгледа като изчисление.

"В компютърните науки, хората си задават този въпрос през цялото време: Колко време ще е нужно да се извърши изчислението", коментира Опенхайм. "Точно както изчислителната машина извършва изчисления, охладителната машина охлажда системата". 

Охлаждането може да се разглежда като поредица от стъпки - топлината се отстранява от системата и се изхвърля в околната среда отново и отново, и всеки път системата става по-студена. 

Скоростта на охлаждане не е универсална (като скоростта на светлината), но зависи от скоростта на звука в средата, колко работа е приложена, за да се отнеме топлината, както и размерът на резервоара, от който се отнема.

Като прилагат математически техники от квантовата теория на информацията, двамата математици доказаха, че една реална система никога няма да достигне 0 Келвина - за това ще са нужни безкраен брой стъпки.

Премахване на неопределеността

Колкото по-ниска енергия има една система, толкова в по-малко състояния може да се организира. Така в една система с много енергия, частиците могат да бъдат организирани в много различни конфигурации и има голяма степен на неопределеност, тъй като не може да бъдем сигурни в какво състояние са тези частици. При абсолютната нула се знае точно как изглежда системата, подчертава IFLScience.

С напредъка на квантовите компютри необходимостта да се даде количествена оценка на охлаждането става все по-належаща. При съхранението на данни частиците в един квантов компютър са поставени в специално енергийно състояние - всяка излишна енергия и топлина води до повреда или унищожаване на съхраняваните данни.

"Това не е просто премахване на енергията на системата", обяснява Масейнс. "Става дума и за премахване на неопределеността".

"Ние получихме ограничение на скоростта за охлаждане и това е много, много бързо, докато в момента ние сме в ерата на конете и каруците", коментира професор Опенхайм пред IFLScience.

Рамките, определени от това изследване са далеч по-малко строги от технологичните ограничения в момента -  никой не се е доближил до намерените от Опенхайм и Масейнс граници на температурата или скоростта на охлаждане. Но тъй като технологията се усъвършенства, тези граници ще намерят практическо приложение.

"Работата е важна - третият закон е един от основните проблеми на съвременната физика", заяви Рони Козлов (Ronnie Kosloff) от Еврейския университет в Ерусалим. "Той засяга термодинамиката, квантовата механика, теорията на информацията - това е мястото, където се срещат много неща."


 

 

 
източник: nauka.offnews.bg

 


 
205260