فیزیک ناممکن؛ چرا هیچ‌چیز در جهان نمی‌تواند به صفر مطلق برسد؟

درحالی‌که بیشتر دنیا دما را بر حسب سلسیوس یا همان سانتیگراد اندازه می‌گیرند و ایالات متحده هنوز به فارنهایت پایبند هست، دانشمندان معمولاً واحد کلوین را ترجیح می‌دهند. یک درجه کلوین تفاوت دمایی برابر با یک درجه سلسیوس دارد، اما نقطه شروع آن ۲۷۳٫۱۵ درجه پایین‌تر هست. اگر این عدد عجیب ظاهراً، دلیل آن این هست که صفر کلوین برابر با صفر مطلق هست، یعنی نقطه‌ای که هیچ حرارتی وجود ندارد.

با این حال، هیچ چیز در جهان، نه سرمای فضای بیرونی و نه چیزی که انسان تولید کرده هست، به صفر مطلق نمی‌رسد. طبق قوانین فیزیک، هیچ چیزی نامکان داردد دقیقاً به صفر کلوین برسد، هرچندین دماهایی تا ۰٫۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۴ کلوین تاکنون دست یافته‌ایم. چرا رسیدن به صفر مطلق غیرممکن هست؟

دما نشان‌دهندهٔ انرژی حرکت اتم‌ها و مولکول‌هاست. انرژی باعث خواهد گردید اتم‌ها و مولکول‌ها در جامدها به ارتعاش درآیند یا در مایعات و گازها به شکل نامنظم حرکت کنند. هر چه متوسط انرژی یک ماده بیشتر باشد، حرکت مولکول‌ها سریع‌تر هست و دمای ماده بالاتر هست.

هنگامی که دما به سمت صفر کلوین کاهش می‌یابد، این حرکت به حداقل می‌رسد. شاید تصور کنیم با استخراج کمی حرارت، حرکت مولکول‌ها به‌طور کامل متوقف شود و به صفر مطلق برسیم. اما قانون سوم ترمودینامیک مانع این امر خواهد گردید.

همچون دو قانون اول ترمودینامیک، قانون سوم نیز امکان داردد به شکل‌های مختلف بیان شود. ساده‌ترین شکل آن توسط والتر نرنست ارائه گردید: «هیچ روشی نامکان داردد در تعداد محدودی از مراحل به دمای صفر مطلق برسد.» به عبارت دیگر، برای رسیدن به صفر مطلق، باید انرژی از یک سیستم بی‌نهایت بار خارج شود، کاری که غیرممکن هست.

ارنست این نتیجه را از آزمایش‌هایی گرفت که در آن‌ها مواد را رفته‌رفته سرد می‌کرد، اما همواره مقداری حرارت باقی می‌ماند که مانع رسیدن به صفر مطلق می‌شد. مکانیک آماری بعدها نشان داد این نتیجه قابل استخراج از سایر قوانین ترمودینامیک هست.

به‌تازگی نیز ثابت شده که رسیدن به صفر مطلق در زمان محدودی ممکن نیست و این یعنی برای رسیدن به صفر مطلق، جهان باید بی‌نهایت قدیمی باشد.

اگر بخواهیم دمای یخچال یا فریزر خود را به صفر درجه سلسیوس برسانیم، حرارت را با استفاده از چرخهٔ تبرید به محیط بیرون منتقل می‌کنیم: گاز فشرده خواهد گردید و داغ خواهد گردید، سپس حرارت آن به محیط منتقل خواهد گردید و گاز منبسط خواهد گردید تا سرد شود. این فرآیند را بارها تکرار می‌کنیم تا دما کاهش یابد.

با همین روش امکان دارد هلیوم را تا منفی ۲۶۹ درجه سلسیوس، یعنی تنها ۴ درجه بالاتر از صفر مطلق، سرد کرد. یک ماده که در هلیوم مایع غوطه‌ور شود، تا رسیدن به همان دما، حرارت خود را از دست می‌دهد.

با استفاده از ایزوتوپ کمیاب هلیوم-۳ امکان داردیم درجه پایین‌تر برویم. برای دماهای پایین‌تر، روش‌های پیشرفته‌تری مانند دِمگنتیزاسیون هسته‌ای و سردسازی با لیزر استفاده می‌شوند. در روش لیزر، اتم‌ها با پرتوی لیزر در سه بعد مهار می‌شوند تا حرکتشان کند شود و انرژی از دست بدهند. این روش، که جایزه نوبل فیزیک ۱۹۹۷ را به دست آورد، امکان داردد مواد میکروسکوپی را به دماهایی کمتر از یک میلیاردیم درجه بالاتر از صفر مطلق برساند.

با وجود این، هیچ‌یک از این روش‌ها قانون سوم ترمودینامیک را دور نمی‌زنند؛ همواره مقداری حرارت باقی می‌ماند. روش‌های پیشرفته‌تر، مانند لنز موج ماده، امکان داردند اتم‌های روبیدیم را تا دماهایی ده برابر پایین‌تر سرد کنند، اما همچنان به صفر مطلق نمی‌رسیم.

چندین اوقات فیزیکدانان از «دمای منفی» سخن می‌گویند که به‌نظر می‌رسد سردتر از صفر مطلق باشد. اما این یک اشتباه نام‌گذاری هست. در این سیستم‌ها، اضافه کردن انرژی باعث کاهش بی‌نظمی (آنتروپی) خواهد گردید، برخلاف حالت معمول. چنین شرایطی تنها در سیستم‌های محدود و خاص رخ می‌دهد و این سیستم‌ها حقیقتاً سرد نیستند؛ بلکه آن‌قدر داغ هستند که وقتی در معرض محیط عادی قرار می‌گیرند، گرما از آن‌ها به محیط جریان می‌یابد.