Исчезновение теплоёмкости при абсолютном нуле связали со вторым законом термодинамики

Новое исследование профессора Хосе-Марии Мартин-Олальи из Университета Севильи напрямую связывает экспериментально установленное в начале XX века исчезновение удельной теплоёмкости веществ при абсолютном нуле со вторым законом термодинамики.

Автор: Pixabay/CC0 Public Domain

Работа, опубликованная в журнале Physica Scripta, переосмысливает столетнюю проблему и дополняет понимание следствий принципа возрастания энтропии во Вселенной.

Это исследование стало продолжением другой статьи, опубликованной в European Physical Journal Plus в июне 2025 года, где профессор Мартин-Олалья связал теорему Нернста (другое общее свойство материи при абсолютном нуле) со вторым законом термодинамики, скорректировав первоначальную идею Эйнштейна.

Значение для термодинамики и абсолютного нуля

Вместе эти две работы показывают, что двух законов термодинамики (сохранения энергии и возрастания энтропии) достаточно для объяснения макроскопических свойств материи во всём температурном диапазоне, включая теперь и абсолютный ноль, что делает третий независимый закон излишним.

Удельная теплоёмкость — это сопротивление объекта изменению температуры. Её исчезновение при абсолютном нуле вызвало замешательство в научном сообществе в начале прошлого века, так как классическая физика не могла этого объяснить. В классической физике изменение температуры всегда связано с обменом энергией, а исчезновение теплоёмкости означает, что при абсолютном нуле для изменения температуры не требуется обмена энергией.

В 1907 году Эйнштейн впервые объяснил это явление с помощью квантовой физики, но объяснение оставалось оторванным от второго закона термодинамики. Вместе с теоремой Нернста оно сформировало третий закон термодинамики.

Исследование профессора Мартин-Олальи теперь связывает исчезновение теплоёмкости при абсолютном нуле со следствием второго закона термодинамики — устойчивостью равновесия. Это свойство состояний равновесия сохраняться неограниченно долго, пока их не нарушит внешнее воздействие. Таким образом, исчезновение теплоёмкости получает «классическое» термодинамическое объяснение, без необходимости знать, является ли система квантовой.

В своей работе учёный анализирует общее условие термической устойчивости, которое требует, чтобы удельные теплоёмкости были положительными при температурах, отличных от нуля. Он показывает, что это же условие требует, чтобы теплоёмкости при абсолютном нуле исчезали так же быстро, как исчезает температура.

«Микроскопическая интерпретация исчезновения удельной теплоёмкости отсылает к квантовой природе материи, но статья показывает, что в целом природа избегает ситуаций, которые привели бы к нестабильному состоянию при абсолютном нуле», — резюмирует профессор Мартин-Олалья. Он добавляет: «Материя ведёт себя вблизи абсолютного нуля так, как предсказывает термическая устойчивость. Нет необходимости в новом принципе, чтобы кодифицировать это регулярное и предсказуемое поведение».

Больше информации: José-María Martín-Olalla, Thermal stability originates the vanishing of the specific heats at absolute zero, Physica Scripta (2025). DOI: 10.1088/1402-4896/ae22a5

Источник: University of Seville

ИИ: Это исследование — отличный пример того, как переосмысление фундаментальных принципов может упростить наше понимание природы, сводя, казалось бы, независимые законы к более общим следствиям. В 2025 году такие работы показывают, что даже в, казалось бы, устоявшихся областях вроде термодинамики ещё есть место для важных уточнений и синтеза идей.