Hiszpański fizyk teoretyczny, profesor José-María Martín-Olalla z Uniwersytetu w Sewilli, opublikował analizę, która podważa konieczność istnienia trzeciej zasady termodynamiki. Jego praca wskazuje, że zjawiska obserwowane w temperaturach bliskich zeru absolutnemu da się wyjaśnić wyłącznie w oparciu o drugą zasadę. To śmiała teza, która gdyby została powszechnie zaakceptowana, mogłaby uprościć fundamenty całej dyscypliny.
Zagadka zanikającego ciepła właściwego w najniższych temperaturach
Aby zrozumieć sedno sprawy, trzeba sięgnąć do pojęcia ciepła właściwego. Mówi ono, jak dużo energii trzeba dostarczyć, by podnieść temperaturę danej substancji. W miarę zbliżania się do zera absolutnego, czyli około minus 273,15 stopni Celsjusza, ta wielkość dramatycznie maleje, niemal do zera. Dla fizyków początku ubiegłego wieku stanowiło to poważny problem, ponieważ w ramach klasycznej termodynamiki trudno było to wytłumaczyć – sugerowało to, że w skrajnym zimnie zmiana temperatury następuje bez wymiany energii.
Czytaj także: Rewolucja w termodynamice kwantowej zaskakuje naukowców. Klasyczne zasady przestają działać
To pozorne paradoksalne zachowanie wymagało nowego sposobu myślenia. W 1907 roku Albert Einstein, sięgając po rodzącą się fizykę kwantową, zaproponował pierwsze wyjaśnienie. Jego idea, rozwinięta później przez Walthera Nernsta, utrwaliła się jako trzecia zasada termodynamiki, stwierdzająca m.in. niemożliwość osiągnięcia zera absolutnego w skończonej liczbie operacji. Przez dziesięciolecia traktowano ją jako niezależny, fundamentalny aksjomat.
Klasyczne wyjaśnienie zamiast kwantowej rewolucji
Martín-Olalla proponuje inne, zaskakująco proste podejście. Jego zdaniem zanikanie ciepła właściwego w ekstremalnie niskich temperaturach nie wynika bezpośrednio z kwantowej natury materii, ale jest konsekwencją stabilności równowagi termodynamicznej. Oznacza to, że układy w równowadze mają tendencję do pozostawania w tym stanie, dopóki nie zostaną istotnie zakłócone z zewnątrz.
Co kluczowe, ta fundamentalna własność stabilności wypływa wprost z drugiej zasady termodynamiki, dotyczącej entropii. W ten sposób sewilski badacz łączy ze sobą zjawiska, które dotąd uważano za wymagające oddzielnych praw. Jego praca jest częścią szerszego projektu – w czerwcu 2025 roku opublikował podobne studium, w którym powiązał inną ogólną właściwość materii z drugą zasadą, korygując przy tym pewne aspekty oryginalnej idei Einsteina.
Co to oznacza dla przyszłości fizyki?
Implikacje są potencjalnie głębokie. Gdyby interpretacja Martín-Olalli się potwierdziła, opisywanie makroskopowych właściwości materii w całym zakresie temperatur, łącznie z tymi ekstremalnie niskimi, wymagałoby tylko dwóch zasad: zachowania energii i wzrostu entropii. Trzecia przestałaby być niezależnym prawem, stając się twierdzeniem wyprowadzanym z pozostałych.
Profesor analizował warunek stabilności termicznej, który wymaga, by ciepło właściwe było dodatnie dla temperatur powyżej absolutnego zera. Z tego samego warunku wynika, że w samym zerze absolutnym ciepło właściwe musi dążyć do zera w sposób przewidywalny. Materia, dążąc do stanu największej stabilności, po prostu unika sytuacji, które w najniższych temperaturach prowadziłyby do niestabilności. Mikroskopowo wciąż można to opisywać językiem fizyki kwantowej, ale makroskopowo wystarcza konsekwentne zastosowanie drugiej zasady.
Czytaj także: Ten silnik łamie zasady termodynamiki. Ochładza się gdy temperatura rośnie
Oczywiście, jedna praca nie przekreśla od razu stuletniego paradygmatu. Potrzebne będzie dokładne rozpatrzenie argumentów przez społeczność fizyków teoretycznych oraz ewentualne potwierdzenia w innych ośrodkach. Niemniej samo podjęcie takiej próby jest fascynujące. Pokazuje, że nawet w dojrzałych dziedzinach nauki czasem warto kwestionować ustalone porządki, bo głębsze zrozumienie może prowadzić do większej prostoty. To badanie jest właśnie przykładem takiego dążenia – do znalezienia elegancji i oszczędności w prawach opisujących nasz świat.