谈谈热力学三大定律（爱因斯坦与热力学第三定律）

1911年10月下旬，31岁的爱因斯坦参加了一个讨论量子力学的会议，名为索尔维大会的精英会议。当时，23位出席会议的科学家中有4位已经获得了诺贝尔奖，另外还有5位也将获得诺贝尔奖，包括爱因斯坦。尽管他关于相对论的想法慢慢获得了关注，但他关于光量子化的激进理论却完全被忽视了。那么爱因斯坦是如何出现在这个量子会议上的呢？答案与化学家瓦尔特·能斯特有关，他创造了热力学第三定律。

能斯特非常擅长实验，在20世纪初他专注于制造氮基肥料。1898年，当时的英国科学家威廉·克鲁克斯确地预测了目前的耕作方法正在耗尽土壤中的氮，随着人口的增长，小麦很快就会耗尽，数百万人将挨饿。克鲁克斯的这句话启发了那一代化学家，能斯特也不例外，因此他开始研究在不同压力和温度下的许多不同的化学反应。

他把热力学原理应用到低温现象和化学反应过程中，发现了一个新的规律：绝对温度在趋近于零时，熵也趋近于零。几个月后，这个定理就被他称为热力学第三定律，但它更像是一个热假设，因为它完全基于实验数据而没有理论推导。然后，能斯特从化学平衡转向了一个全新的物理领域：极低温的世界。

能斯特建立了自己的临时氢液化器，并开始测量物体的比热，比热是物体每升高一度所需的热能。他们很快发现，当物体接近绝对零度时，它们的比热都趋于零。如果比热是零，那么物体不需要热量就可以使温度升高，这意味着物体温度不会停留在绝对零度。换句话说，绝对零度是一个最低极限，也是我们无法达到的极限。

能斯特越来越相信自己正处在一个深刻思想的边缘，但他的理论缺乏理论基础，这一事实阻碍了他的发展。在1909年或1910年初，能斯特注意到1907年专利局职员爱因斯坦发表的一篇晦涩的论文，使用量子力学从理论上证明比热为零。

量子力学可以说始于1900年12月，普朗克假设光的能量是量子化的来解决辐射问题。1907年，爱因斯坦写了一篇论文，利用普朗克量化光的概念来理解固体是如何发射和吸收热量的。换句话说，爱因斯坦用普朗克量子推导了比热。

为了确定比热，爱因斯坦做了一个模型，他假设分子是在三维振动的简单振动子。爱因斯坦从普朗克那里得到了振动分子的平均能量随温度变化的方程，然后他将其乘以分子数的三倍。最后，他将能量作为温度的函数求导，得到了比热的方程。他得到的方程似乎与其他人的实验数据非常吻合，更重要的是，该方程显示固体在接近绝对零度时比热趋近于零。

当能斯特读到这篇论文时，他非常兴奋，因为有了理论的支持。能斯特写道：“爱因斯坦的量子假说可能是有史以来最了不起的思想建构之一。”1910年之前，没有其他论文引用爱因斯坦1907年的论文。在能斯特引用之后的三年里，有超过40篇论文引用了爱因斯坦1907年的论文。

突然间，许多科学家对量子力学和固体的量子力学观点产生了兴趣，就连普朗克也在1912年利用量子力学为能斯特的热力学第三定律进行了改写：完美晶体的熵在绝对零度下为零。大约在同一时间，能斯特创造了热力学第三定律的最终版本，即任何过程都不可能在有限的步骤内达到绝对零度。直到今天，科学家们还在争论这一定律的适当形式。

很快，能斯特组织了第一次国际物理会议，并让索尔维向世界顶级科学家发出了19份邀请。并且，他又亲自向几个人发出了邀请，其中就包括爱因斯坦。