Минус один закон физики: как спустя 120 лет разрешили главный парадокс термодинамики

Наука — это не застывший свод правил, высеченный в граните. Это живой, дышащий процесс, полный споров, озарений и, что самое интересное, исправлений. Даже идеи титанов, таких как Альберт Эйнштейн, время от времени проходят проверку на прочность. И вот, спустя более ста лет, один из фундаментальных споров в термодинамике — науке о тепле, энергии и хаосе — получил неожиданное и элегантное разрешение.

Недавняя работа профессора Севильского университета Хосе Мартина-Олаллы не просто решает старую загадку, но и предлагает нам по-новому взглянуть на самые основы физики, связывая воедино то, что сам Эйнштейн когда-то разделил. Эта история — настоящий научный детектив, в котором главные герои — холод, порядок и один гипотетический двигатель.

Что такое абсолютный ноль и при чём тут хаос?

Чтобы понять суть драмы, развернувшейся век назад, нужно разобраться с несколькими ключевыми понятиями. Представьте себе абсолютный ноль (-273,15 °C). Это не просто «очень холодно». Это теоретический предел, точка полного покоя, где у атомов и молекул не остаётся тепловой энергии для движения.

А теперь вспомним о втором начале термодинамики. Если говорить просто, оно гласит: Вселенная неуклонно стремится к беспорядку. Энтропия — мера этого хаоса — в замкнутой системе может только расти. Горячий кофе остывает, передавая тепло комнате, но никогда сам по себе не соберёт рассеянное тепло обратно, чтобы снова стать горячим. Порядок всегда стремится превратиться в хаос.

В начале XX века немецкий химик Вальтер Нернст, изучая поведение веществ при сверхнизких температурах, сформулировал свою теорему (позже названную третьим началом термодинамики). Он заметил, что по мере приближения к абсолютному нулю изменения энтропии тоже стремятся к нулю. Проще говоря, на пороге абсолютного холода система почти перестаёт становиться более хаотичной.

И тут начинается самое интересное.

Поединок титанов: Нернст против Эйнштейна

Нернст был убеждён, что его теорема — прямое следствие второго начала термодинамики. Его логика была по-своему изящна. Он рассуждал так: «Предположим, мы можем достичь абсолютного нуля. Тогда мы могли бы создать идеальный двигатель, который бы использовал этот «холодильник» для превращения всего тепла в полезную работу. А это нарушило бы второе начало, ведь часть энергии всегда должна уходить на увеличение хаоса (энтропии)!».

Следовательно, заключил Нернст, раз второе начало — незыблемый закон природы, то абсолютный ноль недостижим, а его теорема верна именно как следствие этого закона.

Но тут на сцену вышел молодой и дерзкий Альберт Эйнштейн. Он указал на слабое место в рассуждениях Нернста. «Постойте-ка, — сказал он, — ваш гипотетический двигатель невозможно построить на практике. Это чистая фантазия. А раз так, он не может служить доказательством и никак не угрожает второму началу».

Своим возражением Эйнштейн, по сути, «отрезал» теорему Нернста от второго начала. Он заявил, что это самостоятельный, фундаментальный принцип природы, который следует называть третьим началом термодинамики. И знаете что? Мир согласился с Эйнштейном. На протяжении ста лет именно эта точка зрения доминировала в учебниках и умах физиков.

Элегантное решение: взгляд из XXI века

И вот, в наши дни, профессор Мартин-Олалла возвращается к этому спору и говорит: «А что, если они оба были и правы, и неправы одновременно?».

Вся соль оказалась в одном тонком, но ключевом нюансе, который упустили оба гения. Мартин-Олалла предположил, что для доказательства совсем не обязательно, чтобы двигатель Нернста был реальным. Достаточно того, чтобы он был виртуальным.

Позвольте объяснить. В современной физике теоретические модели и мысленные эксперименты — мощнейший инструмент. Мартин-Олалла показал, что сам математический аппарат второго начала термодинамики требует рассмотреть возможность существования такого двигателя. Но это не физическая машина из поршней и шестерёнок. Это абстрактный, виртуальный концепт, который не производит работу и не потребляет тепло. Он существует лишь как логическая конструкция в рамках теории.

Именно введение этой идеи «виртуальной машины» всё меняет. Она позволяет, не нарушая никаких законов, логически связать второе начало и теорему Нернста. Получается, что недостижимость абсолютного нуля и стремление энтропии к постоянному значению — это не два разных закона, а две стороны одной медали, элегантно вытекающие из более общего принципа возрастания хаоса. Нернст интуитивно чувствовал эту связь, но не смог её строго доказать. Эйнштейн указал на изъян в доказательстве, но, возможно, поспешил с выводами о полной независимости этих принципов.

Так что, учебники придётся переписывать?

Это открытие — прекрасный пример того, как работает наука. Оно не переворачивает физику с ног на голову, но делает её стройнее и логичнее, убирая «лишний» фундаментальный закон и показывая более глубокую связь между уже известными.

Сам Мартин-Олалла с долей иронии отмечает, что академический мир обладает большой инерцией, и его идеи вряд ли мгновенно попадут во все учебники. Первыми, кто узнал о новом доказательстве, стали его студенты.

Возможно, через несколько лет на лекциях по физике будут рассказывать не о трёх, а о двух с половиной началах термодинамики. А эта история станет ещё одним напоминанием о том, что даже в, казалось бы, досконально изученных областях науки всегда есть место для нового взгляда, способного разрешить спор вековой давности. И это, честно говоря, невероятно вдохновляет.