在1906年，德国化学家能斯特得出了一条热力学定理：“当绝对温度趋于零时，凝聚系的熵趋于零。”

　　当时，这条定理不是没有争论的。就连爱因斯坦和普朗克都曾讨论过它，并给出自己的版本。在1912年，能斯特又为这一定律添加上了绝对零度不可能达到的原理：“不可能使一个物体冷却到绝对温度的零度。”

　　这两条加在一起就是热力学第三定律。能斯特在这方面的研究为他赢得了1920年的诺贝尔化学奖。

　　但是，由于该定律仅在具体机制下有效，并且基于数个假设，一直以来都有物理学家怀疑其准确性。

　　如今，伦敦大学学院的Jonathan Oppenheim 和Lluís Masanes通过数学成功地证明了不可能达到原理，从而证明了热力学第三定律。

　　“在电脑科学里，‘这个计算需要多长时间’是一个十分常见的问题”， Oppenheim说道，“而和一个计算机进行运算一样，一个降温机器会对一个系统降温”。所以，他与Masanes 提出了相似的问题：“降温需要多长时间？”

　　降温可以分为两个步骤：热从一个系统中被抽取，之后被排放到周围的环境里。这两个步骤每循环一次，该系统就变冷一点。具体可以到达多冷取决于降温机器的功和周围环境的大小。

　　在使用量子信息论的数学技巧后，他们证明了绝对零度无法实现的原因：因为它需要无穷大次循环。

　　当然，接近绝对零度还是可以的。Masanes和Oppenheim 也量化了降温的具体步骤，得出一个系统在有限时间内可以实现的“最大降温速度”。

　　这一速度的意义重大。随着量子计算机的发展，对量化降温的需求也会越来越大。为了存储数据，量子计算机中的粒子都会处于一个准确的能级中。而温度的增加所带来的能量将会打乱这些粒子，使它们离开原本的能级，从而毁坏数据。“这不仅仅只是从系统中剔除能量”，Masanes 说道，“这也是从系统中剔除不确定因素”。

　　目前，“最大降温速度”的意义还不明显，因为还没有任何技术可以接近这一速度。但是随着科技的发展，Masanes 和Oppenheim 认为这个限速的意义将会越来越大。

　　“这项研究很重要，因为第三定律是现代物理最基础的问题之一”，耶路撒冷希伯来大学的 Ronnie Kosloff 对此表示道。“它把热力学、量子力学和信息论串联了起来，简直就是现代物理的交叉点之一。”

　　编辑：陈翔宇

　　来源：https://www.newscientist.com/article/2124597-cooling-to-absolute-zero-mathematically-outlawed-after-a-century/

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