Demuestran la imposibilidad del enfriamiento a cero absoluto matemáticamente tras 100 años

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Absolutamente. Las matemáticas han puesto límites a la velocidad de refrigeración con la prueba final de una ley centenaria: a menos que tengas tiempo y recursos infinitos, no puedes llegar al cero absoluto de temperatura.

En 1906, el químico alemán Walther Nernst formuló el teorema del calor, que afirma que cuando un cristal perfecto se acerca al punto del cero absoluto de 0 kelvin (-273,15 ° C), la entropía del sistema también pasa a cero. Este trabajo le valió el premio Nobel de química en 1920.

La idea fue polémica, y fue debatida por pesos pesados ​​como Albert Einstein y Max Planck, quienes introdujeron sus propias formulaciones. En 1912, Nernst defendió su versión añadiendo otra cláusula, ‘el principio de inalcanzabilidad’, que establece que el cero absoluto es físicamente inalcanzable.

En conjunto, estas dos reglas constituyen la tercera ley moderna de la termodinámica.

Pero puesto que los argumentos anteriores se centraban sólo en mecanismos específicos o cojeaban debido a suposiciones cuestionables, algunos físicos nunca se han convencido de su validez.

Prueba matemática

Ahora Jonathan Oppenheim y Lluís Masanes en el University College de Londres han derivado matemáticamente el principio de inalcanzabilidad y han puesto límites a lo rápido que un sistema puede enfriarse, creando una prueba general de la tercera ley. Los resultados han sido publicados en la revista Nature Communications.

“En informática, la gente hace esta pregunta todo el tiempo: ¿cuánto tiempo se tarda en realizar un cálculo?”, Dice Oppenheim. “Así como una máquina computacional realiza un cálculo, una máquina enfriadora enfría un sistema”. Así que él y Masanes se preguntaron cuánto tiempo tarda en enfriarse.

Nunca llegaremos al cero absoluto. Imagen: plainpicture/Bernd Schumacher

El enfriamiento se puede considerar como una serie de pasos: el calor se retira del sistema y se vierte en el entorno una y otra vez, y de este modo el sistema se enfría. El frío depende de cuánto trabajo se requiere para quitar el calor y el tamaño del depósito para verterlo.

Aplicando técnicas matemáticas de la teoría de la información cuántica, demostraron que ningún sistema real alcanzará nunca 0 kelvin: requeriría un número infinito de pasos.

Sin embargo, acercarse al cero absoluto es posible, y Masanes y Oppenheim cuantificaron los pasos del enfriamiento, estableciendo límites de velocidad para determinar el frío al que puede llegar un sistema dado un tiempo finito.

Eliminando la incertidumbre

A medida que avanza la computación cuántica, la necesidad de cuantificar el enfriamiento se vuelve más urgente. Para almacenar datos, las partículas en un ordenador cuántico se ponen en estados energéticos particulares; la energía extra y el calor que trae consigo empujan las partículas fuera de esos estados, degradando o destruyendo los datos almacenados.

“No es sólo la eliminación de la energía del sistema”, dice Masanes. “También se trata de eliminar la incertidumbre”.

Los límites establecidos por esta investigación son mucho menos estrictos que las limitaciones tecnológicas, de momento: nadie ha alcanzado temperaturas o velocidades de enfriamiento cercanas a las halladas como límites por Masanes y Oppenheim. A medida que la tecnología mejora, esperan que estos límites comiencen a ser prácticamente relevantes.

“El trabajo es importante: la tercera ley es una de las cuestiones fundamentales de la física contemporánea”, dice Ronnie Kosloff en la Universidad Hebrea de Jerusalén. “Relaciona la termodinámica, la mecánica cuántica, la teoría de la información… es un punto de encuentro de muchas cosas”.

Artículo original publicado por New Scientist. Revisado y traducido por ¡QFC!

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2017-03-17T00:11:37+00:00