Впервые пересмотрены фундаментальные основы термодинамики
Профессор Хосе-Мария Мартин-Олалья из Университета Севильи показал, что исчезновение теплоемкости при абсолютном нуле — явление, которое почти век считалось следствием третьего закона термодинамики, — напрямую вытекает из второго закона, то есть из принципа возрастания энтропии и связанного с ним условия стабильности термодинамического равновесия. Работа опубликована в журнале Physica Scripta (PS).
Это уже вторая работа исследователя на эту тему. В июне 2025 года он опубликовал статью, где связал другую фундаментальную закономерность — теорему Нернста — также со вторым законом, поправив исходное представление Эйнштейна. В совокупности две публикации предлагают радикально смелую идею: первые два закона термодинамики — сохранение энергии и возрастание энтропии — могут полностью объяснить свойства вещества на всех температурах, включая абсолютный ноль, а значит, третий закон как самостоятельная постулат не требуется.
Исчезновение теплоемкости при абсолютном нуле — одна из глобальных закономерностей для всех веществ. Теплоемкость показывает, сколько энергии нужно объекту, чтобы изменить свою температуру. В рамках классической физики исчезновение этого свойства казалось невозможным: любое изменение температуры должно сопровождаться обменом энергией. Однако в начале XX века эксперименты уверенно показали: при стремлении к абсолютному нулю теплоемкость падает и в пределе обращается в ноль.
В 1907 году Эйнштейн объяснил это квантовыми эффектами, заложив основу будущей третьей аксиомы термодинамики. Но объяснение оставалось изолированным — оно не связывало наблюдаемое поведение вещества с фундаментальными законами термодинамики.
Работа Мартин-Олальи предлагает иной взгляд: исчезновение теплоемкости следует не из особенностей квантовой природы вещества, а из требования термодинамической устойчивости равновесия.
Равновесное состояние в термодинамике по определению устойчиво: оно сохраняется бесконечно долго, пока внешняя сила не выведет систему из равновесия. Это свойство — следствие второго закона. Профессор показывает, что именно это требование автоматически накладывает жесткое условие на теплоемкость при стремлении температуры к нулю: она должна исчезать не просто сильно, а быстрее температуры, чтобы избежать неустойчивых, физически недопустимых состояний.
По словам автора, квантовое объяснение остается справедливым на уровне микроскопических моделей, но само явление — универсальное и не зависит от того, квантовая система или классическая.
Если выводы исследователя получат дальнейшее подтверждение, они могут привести к пересмотру преподавания и понимания термодинамики. Две главные аксиомы — сохранение энергии и рост энтропии — окажутся достаточными для объяснения всех макроскопических свойств вещества на всем диапазоне температур.