Ένα επιστημονικό ερώτημα που απασχολεί τη Φυσική εδώ και πάνω από έναν αιώνα φαίνεται πως βρήκε μια νέα απάντηση και μάλιστα με τρόπο που αμφισβητεί μία από τις ιδέες του Albert Einstein. Ο José María Martín Olalla, καθηγητής φυσικής στο Universidad de Sevilla, παρουσίασε πρόσφατα στο επιστημονικό περιοδικό The European Physical Journal Plus μια απόδειξη που δίνει νέα διάσταση στο περίφημο θεώρημα θερμότητας του Nernst, διατυπωμένο για πρώτη φορά το 1905.
Το θεώρημα του Nernst και το «απόλυτο μηδέν»
Το θεώρημα του Walther Nernst –ο οποίος τιμήθηκε με το Νόμπελ Χημείας το 1920– αναφέρει ότι όσο η θερμοκρασία πλησιάζει το απόλυτο μηδέν (–273°C), οι ανταλλαγές εντροπίας, δηλαδή του μέτρου της αταξίας σε ένα σύστημα, τείνουν και αυτές στο μηδέν. Με απλά λόγια, σε ένα περιβάλλον εξαιρετικά ψυχρό, οι διεργασίες που συνδέονται με τη μεταβολή της αταξίας σχεδόν παύουν να υπάρχουν.
Ο Nernst υποστήριξε ότι το απόλυτο μηδέν δεν είναι ποτέ δυνατό να επιτευχθεί στην πράξη. Αντίθετα, αν μπορούσε να συμβεί κάτι τέτοιο, θα άνοιγε ο δρόμος για την κατασκευή μιας υποθετικής μηχανής που, χρησιμοποιώντας το απόλυτο μηδέν ως «ψυκτικό», θα μετέτρεπε όλη τη θερμότητα σε έργο. Μια τέτοια συσκευή θα ανέτρεπε τον θεμελιώδη δεύτερο νόμο της Θερμοδυναμικής, ο οποίος ορίζει ότι η εντροπία του Σύμπαντος δεν μπορεί παρά να αυξάνεται.
Η διαφωνία με τον Einstein
Ο Einstein διαφώνησε με την προσέγγιση του Nernst. Υποστήριξε ότι, ακόμα κι αν υπήρχε θεωρητικά αυτή η μηχανή, δεν θα μπορούσε ποτέ να κατασκευαστεί στην πραγματικότητα και άρα δεν αποτελούσε απειλή για τη Θερμοδυναμική. Για τον ίδιο, το θεώρημα του Nernst δεν έπρεπε να συγχέεται με τον δεύτερο νόμο, αλλά να θεωρείται ξεχωριστή, τρίτη αρχή της Θερμοδυναμικής.
Αυτή η διάκριση έγινε δεκτή από την επιστημονική κοινότητα και καθόρισε τον τρόπο με τον οποίο διδάσκονταν οι φυσικοί νόμοι για περισσότερο από έναν αιώνα.
Η νέα απόδειξη
Η μελέτη του Martín Olalla έρχεται να ξαναγράψει το πλαίσιο. Ο Ισπανός καθηγητής απέδειξε ότι το θεώρημα του Nernst μπορεί να αποδειχθεί μόνο με βάση τον δεύτερο νόμο της Θερμοδυναμικής, χωρίς να απαιτείται μια ανεξάρτητη αρχή.
Για να το επιτύχει αυτό, χρησιμοποίησε τον ορισμό του απόλυτου μηδέν μέσω του λεγόμενου θερμομέτρου Carnot. Με αυτήν την προσέγγιση, η έννοια της θερμοκρασίας μηδέν δεν εξαρτάται από το αν οι θερμοχωρητικότητες των υλικών μηδενίζονται, ούτε από το αν είναι εφικτό να προσεγγίσουμε πρακτικά το απόλυτο μηδέν. Αντίθετα, συνδέεται με την ίδια τη λογική του δεύτερου νόμου.
Ουσιαστικά, η νέα απόδειξη περιορίζει την τρίτη αρχή σε μία μόνο διατύπωση: ότι η εντροπία ενός σώματος με πεπερασμένη πυκνότητα και ομοιογενή χημική σύσταση δεν μπορεί ποτέ να είναι αρνητική.
Η «εικονική» μηχανή
Μία από τις πιο ενδιαφέρουσες πτυχές της μελέτης είναι η επανεισαγωγή της υποθετικής μηχανής του Nernst. Ο Martín Olalla υποστηρίζει ότι ο δεύτερος νόμος απαιτεί αυτή η μηχανή να υπάρχει, όχι στην πραγματικότητα, αλλά σε «εικονική» μορφή. Πρόκειται για μια νοητική κατασκευή, που δεν καταναλώνει θερμότητα, δεν παράγει έργο και δεν παραβιάζει καμία θερμοδυναμική αρχή.
Συνδυάζοντας αυτή την ιδέα με τον ορισμό μέσω του θερμομέτρου Carnot, προκύπτει το συμπέρασμα ότι οι ανταλλαγές εντροπίας πλησιάζουν το μηδέν όσο η θερμοκρασία τείνει προς το απόλυτο μηδέν. Κατά συνέπεια, το απόλυτο μηδέν δεν είναι δυνατό να επιτευχθεί, επιβεβαιώνοντας έτσι την ουσία του θεωρήματος του Nernst με διαφορετική συλλογιστική.
Ένα νέο πλαίσιο κατανόησης
Όπως εξήγησε ο ίδιος ο Martín Olalla, ένα από τα θεμελιώδη προβλήματα της Θερμοδυναμικής είναι η διάκριση ανάμεσα στη «συγκινησιακή» αίσθηση της θερμοκρασίας (δηλαδή το βίωμα του κρύου και του ζεστού) και την αφηρημένη έννοια της θερμοκρασίας ως φυσικού μεγέθους. Σύμφωνα με τον καθηγητή, ο δεύτερος νόμος προσφέρει πλέον έναν πιο συγκεκριμένο και «φυσικό» τρόπο ορισμού του απόλυτου μηδέν, αποδεσμευμένο από τις αισθήσεις.
Η μόνη ιδιότητα της ύλης κοντά στο απόλυτο μηδέν που παραμένει εκτός του πλαισίου του δεύτερου νόμου είναι η μείωση των θερμοχωρητικοτήτων, όπως είχε ήδη επισημάνει ο Nernst το 1912. Για τον Martín Olalla, αυτό δεν συνιστά νέο νόμο, αλλά σημαντική συμπληρωματική παρατήρηση.
Οι πρώτοι «αναγνώστες»
Ενδιαφέρον έχει και η προσωπική διάσταση της ιστορίας: οι πρώτοι που είδαν τη νέα απόδειξη ήταν οι ίδιοι οι φοιτητές Θερμοδυναμικής του Martín Olalla. Ο καθηγητής παραδέχτηκε ότι ελπίζει με τη δημοσίευση να γίνει ευρύτερα γνωστή η εργασία του, αν και γνωρίζει ότι η ακαδημαϊκή κοινότητα συχνά αντιδρά με βραδύτητα σε νέες προτάσεις που αμφισβητούν παραδοσιακές παραδοχές.
Ένα βήμα στην κατανόηση του Σύμπαντος
Η νέα απόδειξη δεν είναι απλώς μια θεωρητική άσκηση. Αγγίζει τον πυρήνα της Φυσικής, εκεί όπου οι νόμοι που διέπουν το Σύμπαν συναντούν τα όρια της ανθρώπινης κατανόησης. Με το έργο του, ο Martín Olalla δεν αναιρεί το θεώρημα του Nernst, αλλά το εντάσσει με πιο στέρεο τρόπο στον δεύτερο νόμο, αμφισβητώντας έτσι την ερμηνεία που είχε δώσει ο Einstein πριν από περισσότερο από έναν αιώνα.
[via]
