رسیدن به دمای صفر مطلق در دنیای واقعی نشدنی است

زوميت/ پس از يک قرن اختلاف نظر بين دانشمندان، سرانجام ثابت شد که رسيدن به دماي صفر مطلق در دنياي واقعي ناممکن است. پس از گذشت بيش از ۱۰۰ سال بحث علمي که در آن افرادي همچون اينشتين به همراه ساير فيزيکدانان نامي نيز درگير بودند، در نهايت فيزيکدانان توانسته‌اند پيشنهادي براي اثبات رياضي قانون سوم ترموديناميک ارائه دهند. بر پايه‌ي قانون سوم ترموديناميک، دماي صفر مطلق را هيچ‌گاه نمي‌توان به‌طور فيزيکي و در دنياي واقعي به دست آورد؛ زيرا از نظر عملي کاملا ناممکن است که آنتروپي سيستمي بتواند به مقدار صفر برسد. در حالي که دانشمندان به مدت طولاني در اين مقوله دچار ترديد بودند که شايد يک حد براي سرعت مجاز ذاتي در روند سرد شدن در جهان ما وجود داشته باشد و ما را از رسيدن به دماي صفر مطلق (منفي ۲۷۳.۱۵ درجه سانتي‌گراد) بازدارد، پيشنهاد اخير اما قوي‌ترين شواهد را ارائه داده است که بر مبناي آن‌ها، اکنون مي‌توانيم مطمئن باشيم که قوانين فعلي ما در دنياي فيزيک، حتي در هنگامي که پديده‌ها به کمترين دماي ممکن برسند نيز پابرجا و برقرار خواهند ماند. يکي از اعضاي تيم پژوهشي، لوييس ماسانز از کالج لندن در اين باره چنين گفت: ما نشان داده‌ايم که به‌طور واقعي نمي‌توان يک سيستم را تا دماي صفر مطلق، با استفاده از يک مقدار محدود از منابع سرد کرد و علاوه بر اين يافته يک گام فراتر نيز گذاشته‌ايم. ما پس از آن نتيجه گرفته‌ايم که خنک کردن يک سيستم تا صفر مطلق در زمان محدود ممکن نيست. ما همچنان رابطه‌اي بين زمان و کمترين دماي ممکن را ارائه داده‌ايم که اين مقدار در واقع همان سرعت سرد شدن سيستم است. چيزهايي که ماسانز در اينجا به آن‌ها اشاره کرده است، در واقع به دو فرض اساسي در قانون سوم ترموديناميک اشاره دارند و به تعبيري صحت اين قانون به دو فرض بنيادي وابسته است. فرض اول اين است که به‌منظور دستيابي به صفر مطلق در يک سيستم فيزيکي، آنتروپي سيستم نيز بايد صفر شود. قانون دوم که از آن به نام «دسترس‌ناپذيري» يا unattainability ياد مي‌شود، بيان مي‌دارد که صفر مطلق فيزيکي قابل دسترس نيست؛ زيرا هيچ سيستم شناخته‌شده‌اي نمي‌تواند به آنتروپي صفر برسد. اولين قانون توسط شيميدان آلماني والتر نرنست در سال ۱۹۰۶ پيشنهاد شد و در حالي که ارائه‌ي آن قانون وي را به جايزه‌ي نوبل در شيمي رساند، دانشمندان تأثيرگذار با نام‌هاي بزرگي همچون آلبرت اينشتين و ماکس پلانک توسط اثبات ارائه‌شده از سوي نرنست قانع نشده بودند و با نسخه‌هاي مختص خود از حد سرد شوندگي جهان، به بررسي اين موضوع پرداختند. اين باعث شد نرنست تلاش و تفکر در مورد اين موضوع را بيشتر کند و به اين ترتيب قانون دوم را در سال ۱۹۱۲ پيشنهاد داد و بر طبق آن اعلام کرد که رسيدن به صفر مطلق از نظر فيزيکي ناممکن است. اين قوانين در حال حاضر با همديگر به‌عنوان قانون سوم ترموديناميک شناخته مي‌شوند و در حالي که به نظر مي‌رسد اين قانون کاملا برقرار باشد، به هر حال همواره براي برخي‌ چنان به نظر مي‌رسيد که پايه‌هاي آن کمي متزلزل باشند. در دنياي فيزيک هنگامي که سخن از قوانين ترموديناميک به ميان مي‌آيد، از قانون سوم اين علم اندکي با احتياط صحبت مي‌شود. ليا کرين، نويسنده وب‌سايت اسپيس‌نيوز، در گفتگو با نيوساينتيست در اين باره چنين توضيح داده است: از آنجايي که مباحث اوليه تنها بر مکانيسم‌هاي خاص متمرکز شده بودند يا اينکه با فرض‌هاي سؤال‌برانگيز از کار مي‌افتادند، برخي فيزيکدانان هيچ‌گاه به‌طور کامل در اين باره متقاعد نشده‌اند. ماسانز و همکارش جاناتان اوپنهايم به‌منظور آزمايش ميزان پابرجايي و صحت مفروضات قانون سوم ترموديناميک در هر دو سيستم کلاسيک و کوانتومي در دنياي واقعي، تصميم به آزمايش اين موضوع گرفتند که آيا رسيدن به صفر مطلق در هنگامي که ما زمان و منابع محدود داشته باشيم، از نظر رياضي امکان‌پذير است يا خير. ماسانز اين فرايند مقايسه را با فرايند محاسبات مقايسه مي‌کند. ما مي‌توانيم به تماشاي يک کامپيوتر در عين حل يک الگوريتم بنشينيم و مدت‌زماني را که براي انجام محاسبه طول مي‌کشد، ثبت کنيم؛ و به همان روش، ما در واقع مي‌توانيم مدت‌زماني را که براي يک سيستم طول مي‌کشد تا ميزان حد نظري خود سرد شود، ثبت کنيم. اين مدت‌زمان به علت گام‌هاي لازم براي گرفتن گرماي سيستم لحاظ مي‌شود. شما مي‌توانيد فرايند سرد شدن را به‌عنوان جمع‌آوري گرماي موجود در سيستم و تخليه‌ي آن به محيط اطراف در نظر بگيريد. ميزان حرارتي که سيستم با آن شروع به کار مي‌کند، شمار گام‌هاي لازم براي بيرون راندن يا جمع‌آوري تمامي حرارت سيستم را تعيين خواهد کرد. از سويي ظرفيت فضاي اطراف که گرما در آن تخليه مي‌شود نيز بر توانايي سردسازي تأثير دارد. ماسانز و اوپنهايم با استفاده از تکنيک‌هاي رياضي برگرفته از نظريه‌ي اطلاعات کوانتومي (همان چيزي که اينشتين در فرمولاسيون خود از قانون سوم ترموديناميک مطرح کرده است) به اين نکته پي بردند که شما فقط هنگامي مي‌توانيد به صفر مطلق برسيد که هر دو حالت گام‌هاي بي‌نهايت و محيط بيروني با ظرفيت نامحدود را داشته باشيد؛ و اين شرايط چيزي نيستند که براي ما در دسترس باشند. اما مورد فوق، پديده‌اي بود که فيزيکدانان به مدت طولاني در موردش مردد بودند؛ زيرا قانون دوم ترموديناميک بيان مي‌کند که حرارت، خود به خود از يک سيستم گرم‌تر به يک سيستم سردتر حرکت مي‌کند؛ يعني جسمي که شما در حال تلاش براي سرد کردنش هستيد، به‌طور مداوم در حال حرارت گرفتن از محيط اطراف خود است. زماني که هر مقداري از حرارت (هرچند اندک) در داخل يک شيء وجود داشته باشد، بدين معني خواهد بود که در داخل آن حرکت گرمايي وجود دارد؛ که تضمين مي‌کند درجاتي از آنتروپي هميشه در آن سيستم باقي خواهد ماند. پديده‌ي فوق توضيح مي‌دهد که بدون در نظر گرفتن ماهيت اشياء، هر چيزي که در جهان وجود دارد در حال حرکت است؛ هرچند مقدار آن کم باشد. با توجه به قانون سوم ترموديناميک، هيچي چيزي در جهان هستي وجود ندارد که کاملا ثابت باشد. محققان اميدوارند که کار حاضر بتواند قانون سوم را در يک جايگاه محکم‌تر در کنار قوانين ديگر ترموديناميک قرار دهد. اين در حالي است که در همان زمان، کار فوق مي‌تواند سريع‌ترين نرخ تئوري که در آن ما مي‌توانيم چيزي را در دنياي واقعي سرد کنيم، ارائه دهد. به عبارت ديگر، آن‌ها از رياضي براي تعيين کمي مراحل سرد شدن سيستم استفاده کرده‌اند؛ چيزي که به محققان اجازه مي‌دهد محدوديت سرعتي را براي اينکه يک سيستم در يک زمان محدود تا چه حدي مي‌تواند سرد شود، تعريف کنند. بايد بگوييم دستاورد فوق مهم است، چرا که حتي اگر ما هرگز نتوانيم به صفر مطلق برسيم، مي‌توانيم تا حد زيادي به آن نزديک شويم. چنين کاري را ناسا به‌تازگي در آزمايشگاه اتم سرد خود توانسته انجام دهد. آن‌ها در فرايندي توانسته‌اند به دماي يک ميلياردم درجه‌ بالاتر از صفر مطلق برسند. اين دما در واقع به ميزان ۱۰۰ ميليون بار از دماي اعماق فضا سردتر است. در اين ميزان از درجه‌ي حرارت، ما قادر به ديدن رفتارهاي اتمي عجيب و غريبي خواهيم بود که پيش از اين هرگز مشاهده نشده است. همچنين توانايي تخليه‌ي چنين ميزان گرمايي از سيستم، مي‌تواند در آينده در مسير تلاش‌هاي دانشمندان براي ساخت کامپيوترهاي کوانتومي با کارکرد مناسب، حياتي باشد. بهترين بخش از پژوهش اخير را هم مي‌توان به اين صورت بيان کرد: در حالي که اين مطالعه مسير خوبي روي کاغذ براي رسيدن به صفر مطلق ترسيم کرده است، هيچ‌کس در حال حاضر حتي به مقداري اندکي نيز به حصول اين دما يا سرعت‌هاي سرد شوندگي که به‌عنوان محدوديت‌هاي فيزيکي سيستم خنک‌کننده در نظر گرفته‌اند، نزديک نشده است. البته بايد در نظر داشته باشيم که شماري از تلاش‌هاي تأثيرگذار و قابل ملاحظه در اين اواخر صورت گرفته است. روني کوزلف، دانشمندي که در اين پژوهش نقش نداشته، درباره‌ي آن چنين گفته است: کار اخير مهم است. موضوع قانون سوم ترموديناميک يکي از اساسي‌ترين موضوعات فيزيک معاصر است. اين قانون، علوم ترموديناميک، مکانيک کوانتومي و نظريه‌ي اطلاعات را با هم مربوط مي‌کند و نقطه‌ي تلاقي بسياري از پديده‌ها است. دستاوردهاي اين مطالعه در مجله‌ي Nature Communications منتشر شده است. با کانال تلگرامي «آخرين خبر» همراه شويد