Termodinamiğin üçünü yasası ortaya atıldıktan yüz yıl sonra kuantum enformasyon teorisine ait yöntemler ile matematiksel olarak kanıtlandı.
Termodinamiğin üçüncü yasası, mutlak sıfır noktası ile ilgilidir ve sınırlı sayıda adım ile mutlak sıfır noktasına ulaşılamayacağını söyler. Gerçekleştirilen yeni çalışma ile araştırmacılar, “ulaşılamazlık ilkesini” matematiksel olarak kanıtlayarak yüz yıldan uzun süredir devam etmekte olan tartışmalara son veriyorlar.
1906 yılında Alman kimyager Walter Nernst, ısı teoremi olarak bilinen, mükemmel kristalin mutlak sıfır noktasında entropisinin sıfır olacağını gösterdi ve bu çalışmasıyla 1920 yılında Nobel kimya ödülünü kazandı. Ancak Einstein ve Planck gibi bazı bilim insanları Nernst’in çıkarımlarından tatmin olmayarak kendi formülasyonlarını geliştirdiler.
Nernst kendi çalışmalarının savunmak için, daha sonra bu ifadeye, “ne kadar idealize olursa olsun, bir sistemin entropisinin mutlak-sıfır değerine sınırlı sayıda adım ile düşürülmesi mümkün değildir” şeklindeki “ulaşılamazlık ilkesini” de ilave etti. Ve bu iki yasa bir arada Termodinamiğin üçüncü yasası olarak anılmaya başlandı.
Aradan geçen zamanda termodinamiğin üçüncü yasası, deneysel olarak doğru kabul edilse de, temellerine ait tartışmalı olan noktalar, dolayısı ile doğruluğuna ait şüpheler de varlığını sürdürdü.
Yeni çalışma ile ise, Jonathan Oppenheim ve Lluís Masanes, ulaşılamazlık ilkesini matematiksel olarak elde ederek, bir sistemin soğuyabilme hızına ait sınırları ortaya koyarak, üçücü yasaya ait genel bir ispata ulaştılar.
Araştırmacılardan Oppenheim, “Bilgisayar bilimlerindeki kişiler bu soruyu devamlı soruyorlar: Bir bilgisayar işlemini gerçekleştirmek ne kadar sürer?” diyor, “Bilgisayarın, bilgisayar işlemi gerçekleştirmesi gibi, bir soğutma cihazı da sistemi soğutur.”
Soğutma, bir işlemler dizisi olarak düşünülebilir: Isı sistemden alınır ve tekrar tekrar dış ortama atıldığı her defasında ve sistem biraz daha soğur. Ne kadar soğukluğa ulaşılabileceği, ısıyı almak gerçekleştirilebilecek iş miktarına ve ısının aktarıldığı ortamın ne kadar ısı alabileceğine bağlıdır.
Böylece, Oppenheim ve Masanes kuantum enformasyon teorisine ait yöntemleri kullanarak, soğuma işlemine ait bir hız sınırına ulaşarak, mutlak sıfır noktasına yaklaşılabilecek olmasına rağmen, “sonlu sayıda adım ile hiçbir gerçek sistemin 0 K’e ulaşamacağı,” sonucunu elde ettiler.
Çalışmadan elde edilen sonuçların, soğutma teknolojileri için önemli olduğu ifade edilirken, elde edilen soğuma hızına ait sınırın ise, şu anki teknoloji ile elde edilebilen hızın çok ötesinde olduğu da belirtiliyor.
Nature Communications’da yayımlanan çalışmaya buradan ulaşabilirsiniz.
Kaynaklar: