Термодинамика пересмотрена: исследование решает проблему, которой более 120 лет, и исправляет одну из идей Эйнштейна
Теории должны выдерживать практическую проверку, и это особенно верно в физике. Исследователи из Университета Йоханнеса Гутенберга в Майнце (JGU), Техасского университета A&M, Брукхейвенской национальной лаборатории, Университета Суррея в Великобритании и Мичиганского государственного университета достигли такой вехи: они впервые экспериментально продемонстрировали, что метод отношения можно использовать для изучения атомных ядер, и в частности нестабильных гало-ядер — это подчёркивает важность этой новой наблюдаемой реакции. Команда [опубликовала](https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.134.212501) свои результаты 28 мая 2025 года в журнале Physical Review Letters.
«Наши исследования бериллия-11 [гало] подтвердили теоретические предсказания метода отношения», — говорит профессор доктор Пьер Капель из JGU. Этот важный результат предлагает ядерным физикам новый инструмент для исследования структуры экзотических ядер.
Что такое гало-ядра?
Гало-ядра значительно больше обычных атомных ядер. Это связано с очень своеобразной структурой, в которой один или два нейтрона могут отделяться от ядра и образовывать своего рода диффузный гало вокруг компактного ядра. Гало-ядра также отличаются от большинства других атомных ядер своей стабильностью: у них чрезвычайно короткий период полураспада. В случае изучаемого гало бериллия-11 он составляет всего 13 секунд. Это означает, что через 13 секунд существует только половина произведённых гало-ядер, а другая половина уже распалась.
Для их изучения экспериментаторы сталкивают их с мишенью, и по результатам реакции делаются выводы о структуре ядра. Проблема в том, что информацию о гало-ядре трудно отделить от влияний, возникающих во время эксперимента.
В 2011 году три теоретика — П. Капель и Р. К. Джонсон из Университета Суррея и Ф. М. Нунес из Мичиганского государственного университета — разработали модель отношения. «Мы определяем структуру гало-ядер по отношению их сечений рассеяния и сечения распада — таким образом мы устраняем влияние реакции и получаем информацию о чистой структуре гало-ядра», — говорит Капель.
Сечение рассеяния — это процесс, при котором снаряд рассеивается от мишени и остаётся неповреждённым после столкновения, в то время как сечение распада — это процесс, при котором нейтрон гало отделяется от ядра.
В Техасском университете A&M экспериментальная группа создала бериллий-11 с помощью ускорителя частиц и столкнулась с ними со стабильными атомными ядрами углерода-12. «Мы смогли показать, что сечения рассеяния и распада имеют очень похожие характеристики — их отношение, таким образом, не зависит от процесса реакции. Это демонстрирует, что метод отношения работает», — говорит П. Капель.
На следующем этапе исследователи планируют изучить углерод-19, ещё одно гало-ядро. Команда ожидает, что это измерение позволит определить энергию отделения углерода-19 более точно, чем когда-либо прежде, и предоставит важную информацию о гало-структуре углерода-19.
Теорема Нернста пересмотрена
Теорема Нернста — общее экспериментальное наблюдение, представленное в 1905 году, что обмен энтропией стремится к нулю, когда температура стремится к нулю — была напрямую связана со вторым началом термодинамики в статье, опубликованной в The European Physical Journal Plus, единственным автором которой является профессор Университета Севильи Хосе Мартин-Олалла.
Помимо решения проблемы, поставленной 120 лет назад, демонстрация является расширением последствий, связанных со вторым началом термодинамики (принцип, устанавливающий возрастание энтропии Вселенной). Она также исправляет идею, выдвинутую более века назад Альбертом Эйнштейном.
Проблема теоремы Нернста возникла в начале XX века, когда изучались общие свойства материи при температурах, близких к абсолютному нулю (-273 °C). Вальтер Нернст был удостоен Нобелевской премии по химии в 1920 году за эти исследования.
В качестве объяснения своих результатов Нернст утверждал, что абсолютный ноль должен быть недостижим, потому что в противном случае можно было бы построить двигатель, который, используя абсолютный ноль в качестве хладагента, преобразовывал бы всё тепло в работу, идя вразрез с принципом возрастания энтропии. Таким образом, он доказал свою теорему в 1912 году.
Сразу после этого Эйнштейн опроверг эту демонстрацию, указав, что такой гипотетический двигатель не может быть построен на практике и, следовательно, не может ставить под сомнение справедливость принципа возрастания энтропии. Таким образом, Эйнштейн отделил теорему от второго начала термодинамики и связал её с третьим принципом, независимым от второго. Эта идея теперь опровергнута.
В представленной демонстрации профессор Мартин-Олалла вводит два нюанса, которые были упущены Нернстом и Эйнштейном: формализм второго начала термодинамики, с одной стороны, требует существования двигателя, воображаемого Нернстом, а с другой стороны — что эта машина будет виртуальной; двигатель не потребляет тепло, не производит работы и не ставит под сомнение второе начало.
Соединение обеих идей позволяет нам сделать вывод, что обмен энтропией стремится к нулю, когда температура стремится к нулю (что и является теоремой Нернста) и что абсолютный ноль недостижим.
Мартин-Олалла указывает, что «фундаментальной проблемой в термодинамике является различение ощущения температуры, ощущений горячего и холодного, от абстрактного понятия температуры как физической величины. В дискуссии между Нернстом и Эйнштейном температура была просто эмпирическим параметром: состояние абсолютного нуля представлялось условием, при котором давление или объём газа приближались к нулю».
«Формально второе начало термодинамики даёт более конкретное представление о естественном нуле температуры. Идея не связана ни с какими ощущениями, а с тем двигателем, который вообразил Нернст, но который должен быть виртуальным», — говорит профессор.
Исследование указывает на то, что единственное общее свойство материи вблизи абсолютного нуля, которое не может быть связано со вторым началом термодинамики, — это отмена теплоёмкостей, также составленная Нернстом в 1912 году. Однако Мартин-Олалла предлагает другую формализацию: «Второе начало содержит идею, что энтропия уникальна при абсолютном нуле. Отмена удельных теплоёмкостей только добавляет, что это уникальное значение равно нулю. Это больше похоже на важное приложение, чем на новый принцип».
Профессор отмечает, что публикация этой статьи — первый шаг к принятию этой новой точки зрения. «Студенты на моём курсе термодинамики были первыми, кто узнал об этой демонстрации. Я надеюсь, что с этой публикацией демонстрация станет более известной, но я знаю, что у академического мира есть большая инерция», — говорит Мартин-Олалла.
Предоставлено:
- [Университет Йоханнеса Гутенберга в Майнце](https://phys.org/partners/johannes-gutenberg-university-mainz/)
- [Университет Севильи](https://phys.org/partners/university-of-seville/)