Klasyczne wyjaśnienie kwantowego fenomenu
Aby zrozumieć sedno sprawy, trzeba przypomnieć, czym jest ciepło właściwe. W najprostszych słowach to miara oporu, jaki stawia materiał, gdy próbujemy zmienić jego temperaturę. Wysokie ciepło właściwe oznacza, że do podgrzania go potrzeba sporo energii. Problem, który zaintrygował fizyków, polegał na tym, iż w ekstremalnie niskich temperaturach ta wielkość gwałtownie maleje, aż osiąga zero. W praktyce oznaczałoby to, że w okolicach zera absolutnego zmiana temperatury nie wymagałaby praktycznie żadnej energii – co brzmiało abstrakcyjnie.
Czytaj też: Wyspy inwersji istnieją tam, gdzie być nie powinny. Przełomowe odkrycie zmienia podręczniki fizyki jądrowej
Profesor José-María Martín-Olalla z Uniwersytetu w Sewilli twierdzi, że zjawisko to wynika wprost z fundamentalnej właściwości natury, jaką jest stabilność termiczna. W swojej publikacji w Physical Review E przekonuje, iż zanik ciepła właściwego w skrajnym zimnie można logicznie wyprowadzić z drugiej zasady termodynamiki. Ta zasada, mówiąca o nieuchronnym wzroście nieuporządkowania (entropii) we wszechświecie, pociąga za sobą warunek stabilności. System w równowadze ma trwać w niej, dopóki coś go nie wytrąci. Warunek ten wymusza, aby ciepło właściwe było dodatnie w temperaturach powyżej zera. Ta sama logika prowadzi jednak do konkluzji, że w samym punkcie zera absolutnego musi ono dążyć do zera. Takie wyjaśnienie nie odwołuje się do skomplikowanych założeń fizyki kwantowej, lecz opiera się na klasycznej, makroskopowej termodynamice.
Czy dwie zasady wystarczą za trzy?
Badanie hiszpańskiego naukowca nie jest odosobnione. Stanowi kontynuację jego wcześniejszej pracy z czerwca tego roku, w której łączył inną uniwersalną właściwość materii z tą samą, drugą zasadą. Razem oba artykuły prowadzą do śmiałej tezy: do opisu zachowania materii w całym zakresie temperatur, łącznie z tym ekstremalnie niskim, wystarczą tylko dwie podstawowe zasady termodynamiki – zasada zachowania energii oraz zasada wzrostu entropii.
Czytaj też: Szokujące odkrycie fizyków. Atomy w superschłodzonym stanie zachowują się w niespodziewany sposób
Materia zachowuje się w pobliżu zera absolutnego tak, jak przewiduje stabilność termiczna. Nie ma potrzeby tworzenia nowej zasady, aby skodyfikować regularne i przewidywalne zachowanie – argumentuje Martín-Olalla
To podejście stoi w kontrze do historycznego rozwiązania zaproponowanego w 1907 roku. Wówczas Einstein, wykorzystując nowatorską teorię kwantów, wyjaśnił zanik ciepła właściwego. Jego model, wraz z tzw. twierdzeniem Nernsta, utrwalił się jako trzecia zasada termodynamiki, stanowiąca fundament fizyki niskich temperatur przez kolejne dziesięciolecia. Pytanie, czy po tylu latach jednoznacznie odrzucimy zasadę uznawaną za filar, pozostaje otwarte. Praca Martín-Olalli jest ważnym głosem w dyskusji, który każe nam zweryfikować utrwalone przekonania.