Físicos comprueban que es imposible enfriar un objeto al cero absoluto

En 1912, el químico Walther Nernst propuso que enfriar un objeto al cero absoluto es imposible con una cantidad finita de tiempo y recursos. Hoy esta idea, llamada el principio de inalcanzabilidad, es la versión más ampliamente aceptada de la tercera ley de la termodinámica, pero hasta ahora no ha sido probada desde los primeros principios.

Después de más de 100 años, el resultado pone finalmente la tercera ley en el mismo plano que las leyes primera y segunda de la termodinámica, ambas ya probadas.

"El objetivo de la física fundamental es derivar todas las leyes de la naturaleza y describir todos los fenómenos sólo asumiendo un pequeño conjunto de principios (como la mecánica cuántica, el Modelo Estándar de la física de partículas, etc.)", dijo a Phys.org Lluis Masanes, autor de la investigación junto a Jonathan Oppenheim.

"Además, esta derivación desvela las fuertes conexiones entre las limitaciones de la refrigeración, la positividad de la capacidad calorífica, la reversibilidad de la dinámica microscópica, etc. Personalmente, me encanta que toda la termodinámica (incluida la tercera Ley) se ha derivado de principios más fundamentales", añadió.

Para probar la tercera ley, los físicos usaron ideas de la ciencia computacional y la teoría de la información cuántica. Allí, un problema común es determinar la cantidad de recursos necesarios para realizar una determinada tarea. Cuando se aplica al enfriamiento, la cuestión es ¿cuánto trabajo debe hacerse y cómo de grande debe ser el depósito de enfriamiento para enfriar un objeto al cero absoluto (0 Kelvin, -273,15 ° C o -459,67 ° F)?

Los físicos mostraron que enfriar un sistema hasta el cero absoluto requiere una cantidad infinita de trabajo o un depósito infinito. Este hallazgo está de acuerdo con la explicación física ampliamente aceptada de la inalcanzabilidad del cero absoluto: A medida que la temperatura se aproxima a cero, la entropía (desorden) del sistema se aproxima a cero, y no es posible preparar un sistema en un estado de cero entropía en un Número finito de pasos.

El nuevo resultado llevó a los físicos a una segunda pregunta: si no podemos alcanzar el cero absoluto, ¿cuánto podemos acercarnos (con tiempo y recursos finitos)? Resulta que la respuesta está más cerca de lo que cabría esperar. Los científicos mostraron que se pueden obtener temperaturas más bajas con sólo un modesto aumento de los recursos. Sin embargo, también mostraron que hay límites. Por ejemplo, un sistema no puede ser enfriado exponencial rápidamente, ya que esto daría lugar a una capacidad de calor negativo, que es una imposibilidad física.

Una de las características de la nueva prueba es que se aplica no sólo a grandes sistemas clásicos (con los que la termodinámica tradicional suele tratar), sino también a los sistemas cuánticos y a cualquier tipo concebible de proceso de enfriamiento.

Por esta razón, los resultados tienen amplias implicaciones teóricas. El enfriamiento a temperaturas muy bajas es un componente clave en muchas tecnologías, tales como computadoras cuánticas, simulaciones cuánticas y mediciones de alta precisión. Comprender lo que se necesita para acercarse al cero absoluto podría ayudar a guiar el desarrollo y la optimización de futuros protocolos de enfriamiento para estas aplicaciones.

"Ahora que tenemos una mejor comprensión de las limitaciones de enfriamiento, me gustaría optimizar los métodos de enfriamiento existentes o llegar a otros nuevos", dijo Masanes.