(Phys.org)—En 1912, le chimiste Walther Nernst a proposé que le refroidissement d'un objet au zéro absolu est impossible avec une quantité finie de temps et de ressources. Aujourd'hui cette idée, appelé principe d'inaccessibilité, est la version la plus largement acceptée de la troisième loi de la thermodynamique, mais jusqu'à présent, elle n'a pas été prouvée à partir des premiers principes.

Maintenant pour la première fois, Les physiciens Lluís Masanes et Jonathan Oppenheim de l'University College de Londres ont dérivé la troisième loi de la thermodynamique des premiers principes. Après plus de 100 ans, le résultat met enfin la troisième loi sur le même pied que les première et deuxième lois de la thermodynamique, les deux ont déjà été prouvés.

"Le but de la physique fondamentale est de dériver toutes les lois de la nature et de décrire tous les phénomènes en supposant seulement un petit ensemble de principes (comme la mécanique quantique, le modèle standard de la physique des particules, etc.), " a dit Masanes Phys.org . "Et c'est ce que nous faisons. En plus, cette dérivation dévoile les liens étroits entre les limitations du refroidissement, la positivité de la capacité calorifique, la réversibilité de la dynamique microscopique, etc. Personnellement, J'aime que l'ensemble de la thermodynamique (y compris la troisième loi) soit dérivé de principes plus fondamentaux."

Pour prouver la troisième loi, les physiciens ont utilisé des idées de l'informatique et de la théorie de l'information quantique. Là, un problème courant consiste à déterminer la quantité de ressources nécessaires pour effectuer une certaine tâche. Lorsqu'il est appliqué au refroidissement, la question devient combien de travail doit être fait et quelle doit être la taille du réservoir de refroidissement pour refroidir un objet au zéro absolu (0 Kelvin, -273,15 °C, ou -459,67°F) ?

Les physiciens ont montré que refroidir un système au zéro absolu nécessite soit une quantité de travail infinie, soit un réservoir infini. Cette découverte est en accord avec l'explication physique largement acceptée de l'impossibilité d'atteindre le zéro absolu :lorsque la température approche de zéro, l'entropie (désordre) du système approche de zéro, et il n'est pas possible de préparer un système dans un état d'entropie nulle en un nombre fini d'étapes.

Le nouveau résultat a conduit les physiciens à une deuxième question :si nous ne pouvons pas atteindre le zéro absolu, alors jusqu'où pouvons-nous nous rapprocher (avec un temps et des ressources limités) ? Il s'avère que la réponse est plus proche que prévu. Les scientifiques ont montré que des températures plus basses peuvent être obtenues avec seulement une augmentation modeste des ressources. Mais ils ont aussi montré qu'il y a des limites ici, également. Par exemple, un système ne peut pas être refroidi de manière exponentielle rapidement, car cela entraînerait une capacité calorifique négative, ce qui est une impossibilité physique.

L'une des caractéristiques intéressantes de la nouvelle preuve est qu'elle s'applique non seulement aux grands, les systèmes classiques (dont la thermodynamique traditionnelle traite généralement), mais aussi aux systèmes quantiques et à tout type de processus de refroidissement imaginable.

Pour cette raison, les résultats ont des implications théoriques étendues. Le refroidissement à très basse température est un élément clé dans de nombreuses technologies, comme les ordinateurs quantiques, simulations quantiques, et des mesures de haute précision. Comprendre ce qu'il faut pour se rapprocher du zéro absolu pourrait aider à guider le développement et l'optimisation des futurs protocoles de refroidissement pour ces applications.

« Maintenant que nous comprenons mieux les limites du refroidissement, Je souhaite optimiser les modes de refroidissement existants ou en proposer de nouveaux, ", a déclaré Masanes.

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