Профессор Университета Севильи Хосе Мария Мартин-Олалья опубликовал работу, в которой решил проблему, мучившую физиков 120 лет. Он уточнил идею, выдвинутую самим Альбертом Эйнштейном, и связал теорему Нернста со вторым началом термодинамики.

Результаты опубликованы в издании The European Physical Journal Plus.

В начале XX века, когда изучали свойства материи при температурах, близких к абсолютному нулю (–273 °C), Вальтер Нернст сформулировал свой знаменитый принцип: при стремлении температуры к нулю энтропия тоже стремится к нулю. За это он получил Нобелевскую премию по химии в 1920 году.

Энтропия — мера хаоса в системе. Чем выше энтропия, тем менее упорядочено движение частиц. Второе начало термодинамики говорит: в замкнутой системе энтропия всегда растет (например, горячий кофе остывает, потому что тепло рассеивается в воздухе).

Нернст доказывал свою теорему так: если бы можно было достичь абсолютного нуля, то, используя его как «холодильник», можно было бы создать вечный двигатель, превращающий все тепло в работу. А это нарушило бы второе начало термодинамики, которое гласит: энтропия Вселенной всегда растет.

Эйнштейн возразил: такой двигатель невозможно построить на практике, поэтому теорема Нернста не имеет отношения ко второму началу. Он предложил считать ее отдельным, третьим законом термодинамики.

Мартин-Олалья показал, что оба ученых упустили важные детали. Формально двигатель Нернста должен существовать, но только виртуально — он не производит работу, не потребляет тепло и не нарушает законы физики. Именно это позволяет связать теорему Нернста со вторым началом и подтвердить, что абсолютный ноль недостижим.

Главная сложность — отделить наше ощущение температуры от ее физической сути, — объясняет Мартин-Олалья. — В споре Нернста и Эйнштейна температура была просто параметром. Но второй закон термодинамики дает четкое определение: ноль — это не просто «очень холодно», а условие, при котором энтропия перестает меняться.

Единственное свойство материи при сверхнизких температурах, которое не вытекает из второго начала, — это обращение в ноль теплоемкости. Но и здесь автор предлагает новую трактовку:

Второй закон говорит, что при абсолютном нуле энтропия становится постоянной. А то, что она равна нулю — скорее дополнение, чем отдельный закон.

Публикация — первый шаг к признанию этой идеи.

Сначала я объяснил доказательство своим студентам на лекциях по термодинамике. Теперь надеюсь, что работа получит известность, хотя академическая наука меняется медленно, — говорит профессор.

Работа Мартина-Олальи упрощает понимание термодинамики. Теперь второй закон объясняет и недостижимость абсолютного нуля, и поведение энтропии. Это может помочь:

• В квантовых вычислениях: сверхпроводники работают при крайне низких температурах, и точные термодинамические модели критически важны.
• В криогенике: инженерам проще проектировать системы, зная четкие границы охлаждения.
• В образовании: студенты будут изучать единую логику законов, а не разрозненные принципы.

Отметим, что хотя доказательство элегантно, оно опирается на гипотетический «виртуальный двигатель». Пока это математическая абстракция — экспериментально проверить ее сложно. Кроме того, работа не предлагает новых предсказаний, а лишь уточняет старые идеи.

Ранее в НИЯУ МИФИ приняли решение возродить Высшую школу физиков имени Басова.