Zero absolutne pozostawało poza zasięgiem, ale naukowcy twierdzą, że można osiągnąć rekordowo niską temperaturę

Najniższa możliwa temperatura panująca we wszechświecie wynosi -273,15 stopni Celsjusza. Problem polega na tym, że trzecie prawo termodynamiki wydaje się uniemożliwiać zejście do takich wartości na Ziemi.
Zero absolutne pozostawało poza zasięgiem, ale naukowcy twierdzą, że można osiągnąć rekordowo niską temperaturę

Ale czy na pewno są to ograniczenia nie do przeskoczenia? Przedstawiciele Technische Universität Wien, którzy stoją za publikacją zamieszczoną na łamach PRX Quantum, nieco przeformułowali założenia trzeciego prawa termodynamiki i twierdzą, że osiągnięcie zera bezwzględnego jest możliwe. Przynajmniej w teorii. Aby osiągnąć ten cel potrzeba jednak trzech składników: energii, czasu i złożoności, przy czym jeden z nich musi mieć nieskończone pokłady. 

Czytaj też: Przechowują informacje w niedostępny wcześniej sposób. Pamięć kwantowa znowu zachwyca

Kiedy cząstki kwantowe osiągają temperaturę -273,15 stopni Celsjusza, znajdują się w stanie o najniższej energii. Nie zawierają wtedy żadnej informacji o tym, w jakim stanie były wcześniej. Innymi słowy, istnieje ścisłe powiązanie między procesem chłodzenia i kasowania informacji. 

Biorąc pod uwagę założenia teorii informacji oraz termodynamiki, dojdziemy do wniosku, że są one ze sobą sprzeczne. Pierwsza sugeruje bowiem, że do usunięcia jednego bitu informacji potrzebna jest pewna minimalna ilość energii. W myśl drugiej natomiast do schłodzenia czegokolwiek do wartości zera absolutnego potrzebna jest nieskończona ilość energii. Jeśli zakładamy, że usuwanie informacji i obniżanie temperatury idą ze sobą w parze, to wszystko zaczyna tracić sens.

Zero absolutne to najniższa możliwa temperatura spotykana we wszechświecie, wynosząca -273,15 stopni Celsjusza

Szybko zdaliśmy sobie sprawę, że niekoniecznie trzeba używać nieskończonej energii, aby osiągnąć zero absolutne. Jest to również możliwe przy użyciu skończonej energii – ale wtedy potrzebujesz nieskończenie dużo czasu, aby to zrobić. Odkryliśmy, że można zdefiniować układy kwantowe, które pozwalają na osiągnięcie absolutnego stanu podstawowego nawet przy skończonej energii i w skończonym czasie – nikt z nas się tego nie spodziewał. wyjaśnia jeden z autorów, Marcus Huber

Ze względu na ogromny stopień złożoności układów kwantowych,  potrzebna byłaby nieskończenie precyzyjna kontrola nad nieskończenie wieloma szczegółami takiego układu. To powinno doprowadzić do sytuacji, w której obiekt kwantowy zostaje schłodzony do wartości zera absolutnego w skończonym czasie przy skończonej energii. W praktyce jest to oczywiście równie nieosiągalne jak nieskończenie wysoka energia czy nieskończenie długi czas.

Czytaj też: Pozostałości supernowej odgrywają istotną rolę w funkcjonowaniu wszechświata. JWST ujawnia ich tajemnice

Poza satysfakcją płynącą z bicia takich rekordów, w grę wchodzą również pewne praktyczne zastosowania płynące z osiągania wyjątkowo niskich temperatur. Technologie kwantowe są bowiem ściśle powiązane z temperaturami. Im są one wyższe, tym łatwiej stany kwantowe ulegają uszkodzeniu i stają się nieprzydatne. Jak wyjaśniają badacze, z tego względu tak istotne jest zrozumienie związku między światem kwantowym a termodynamiką.