Fan2k99966
New member
Để đạt được độ 0 tuyệt đối thì cần "vô hạn", mà vô hạn thì... bất khả thi rồi bạn ơi
Trong vật lý, có những giới hạn vô hạn mà ta không thể chạm tới được đâu nha. Giống như vận tốc ánh sáng ấy: theo lý thuyết thì không thể đạt được vì cần một lượng năng lượng vô hạn luôn. Còn một giới hạn khác là **độ 0 tuyệt đối** (absolute zero – bằng 0 Kelvin, -273.15°C hoặc -459.67°F): phải rút một lượng năng lượng vô hạn ra khỏi vật chất để đạt được độ lạnh tuyệt đối này – một nhiệt độ mà vật chất không còn năng lượng nào cả.
Hai thứ vô hạn này đều là những điều bất khả thi. Hôm nay mình sẽ kể về cái giới hạn vô hạn của độ lạnh kia nhé!
## 100 năm mới có kết luận chính thức
Sau **100 năm dài** tranh luận không hồi kết, cuối cùng thì hội các nhà vật lý cũng có bằng chứng toán học để chứng minh cho **luật thứ ba của nhiệt động lực học** rồi. Luật này nói rằng nhiệt độ 0 tuyệt đối là không thể đạt được với vật lý hiện đại, vì một hệ thống kín không thể có entropy (độ hỗn loạn) bằng 0 được.
Từ lâu lắm rồi, các nhà khoa học đã nghi ngờ rằng trong vũ trụ này có một "giới hạn tốc độ" khi làm lạnh vật chất. Chính nó đã ngăn chúng ta đạt được độ 0 tuyệt đối, và đây cũng là bằng chứng rõ ràng nhất cho thấy những định luật vật lý hiện tại vẫn đúng khi ta chạm tới giới hạn nhiệt độ thấp nhất có thể.
"Chúng tôi chỉ ra rằng không thể làm lạnh một hệ thống bất kỳ xuống độ 0 tuyệt đối với nguồn lực giới hạn, và chúng tôi còn đi xa hơn nữa", Lluis Masanes từ Đại học London chia sẻ.
"Rồi chúng tôi kết luận rằng không thể làm lạnh một hệ thống bất kỳ xuống độ 0 tuyệt đối trong thời gian giới hạn, và chúng tôi thiết lập được mối quan hệ giữa thời gian và nhiệt độ thấp nhất có thể đạt được. Từ đó tính ra tốc độ làm lạnh của vật luôn".
## Drama khoa học từ thời ông bà anh
Masanes đang nói tới hai giả định chính mà luật thứ ba của nhiệt động lực học dựa vào:
**Thứ nhất**, để một hệ thống vật lý đạt được độ 0 tuyệt đối, độ hỗn loạn (entropy) của nó phải bằng 0. **Thứ hai**, không hệ thống nào có thể đạt được entropy bằng 0, do đó không tồn tại nhiệt độ 0 tuyệt đối.
Luật đầu tiên được nhà hóa học người Đức Walther Nernst đưa ra năm 1906, và nhờ đó ông còn ẵm giải Nobel Hóa học nữa chứ!
Tuy nhiên, những big name như **Albert Einstein** và **Max Planck** lại không mấy thuyết phục với nghiên cứu này. Họ tự đưa ra phiên bản giới hạn nhiệt độ lạnh cho vũ trụ theo kiểu của riêng mình luôn.
Điều đó khiến Nernst phải đào sâu thêm, đề xuất luật thứ hai của nhiệt động lực học vào năm 1912, nói rằng nhiệt độ 0 tuyệt đối là bất khả thi về mặt vật lý.
Tổng hợp lại, những luật lệ trên trở thành **luật thứ ba của nhiệt động lực học**. Dù nó vẫn đúng, nhưng nền tảng xây dựng nên nó vẫn là chủ đề gây tranh cãi nhiều năm qua.
"Vì những tranh luận đầu tiên đều tập trung vào một nguyên lý cụ thể hoặc bị khiếm khuyết bởi những giả định khác, một số nhà vật lý không nghĩ rằng nhiệt động lực học có cơ sở vững chắc", Leah Crane từ New Scientist cho hay.
## Toán học lên tiếng
Để test xem luật thứ ba có giá trị thực sự như thế nào trong cả vật lý cổ điển lẫn vật lý lượng tử, Masanes cùng đồng nghiệp Jonathan Oppenheim quyết định thử xem liệu về mặt toán học, ta có thể đạt được nhiệt độ 0 tuyệt đối với nguồn lực nhất định và trong thời gian giới hạn hay không.
Dựa trên tính toán thông qua các thuật toán giảm nhiệt độ – bằng cách đẩy nhiệt từ bên trong vật chất ra môi trường bên ngoài. Nhiệt độ ban đầu sẽ quyết định số bước cần thiết để đẩy hết nhiệt ra ngoài và lượng năng lượng cần để làm việc đó.
Bằng phương pháp toán học dựa trên thuyết lượng tử, Masanes và Oppenheim phát hiện rằng **ta chỉ có thể đạt được nhiệt độ 0 tuyệt đối khi có vô hạn số bước và nguồn năng lượng vô hạn**.
Và với những gì ta biết, "vô hạn" là thứ con người chưa thể chạm tới
## Vì sao không thể đạt được?
Như đã nói, đây là điều các nhà vật lý nghi ngờ từ lâu rồi. Vì theo **luật thứ hai của nhiệt động lực học**, nhiệt sẽ đi một chiều từ hệ thống nóng hơn sang hệ thống lạnh hơn. Vì thế, vật thể bạn đang cố làm lạnh vẫn sẽ nhận nhiệt từ môi trường xung quanh.
Và khi có nhiệt trong hệ thống (dù ít hay nhiều), vận động nhiệt vẫn tồn tại và một mức độ entropy nào đó vẫn sẽ có mặt.
Từ đó, ta có tuyên bố nổi tiếng: không có vật nào tồn tại trong trạng thái đứng yên cả – đó chính là **luật thứ ba của nhiệt động lực học**!
## Gần là được rồi!
Các nhà nghiên cứu nói rằng họ "mong muốn nghiên cứu này có thể làm cơ sở vững chắc cho luật thứ ba của nhiệt động lực học", đồng thời cũng đại diện cho tốc độ lý thuyết mà ta có thể làm lạnh một vật.
Nói cách khác, họ dùng toán học để tính số bước làm lạnh, cho phép các nhà nghiên cứu đề ra được giới hạn tốc độ làm lạnh mà một hệ thống có thể đạt được trong thời gian giới hạn.
Dù không thể đạt được độ 0 tuyệt đối, nhưng ta có thể tới rất rất gần nó, khiến mốc này vẫn là cột mốc vật lý quan trọng đấy!
Ta đang nói tới **Phòng Thí nghiệm Nguyên tử Lạnh** của NASA chuẩn bị được phóng lên trạm vũ trụ ISS vào giữa năm (lúc viết bài), nơi có nhiệt độ lạnh khoảng **0,000000000001 kelvin** – cực kỳ gần với độ 0 tuyệt đối, để thử nghiệm những tính chất vật lý con người chưa từng thấy. Cool phết không?
"Nghiên cứu này cực kỳ quan trọng, luật thứ ba của nhiệt động lực học là một trong những vấn đề chính của vật lý đương đại", giáo sư Ronnie Kosloff tại Đại học Do Thái Jerusalem (người không thuộc đội ngũ nghiên cứu) cho biết.
"Nó liên quan tới nhiệt động lực học, cơ học lượng tử và thuyết thông tin – nó là giao điểm của vô vàn các yếu tố khác nhau".
Nguồn: soha.vn