热力学第三定律表明什么不可达到（物理学家终于给出热力学第三定律的数学证明）

经过100多年的辩论——包括爱因斯坦也参与其中，物理学家终于提出了热力学第三定律的数学证明。热力学第三定律指出，绝对零度（0 K或-273.15 ℃）无法达到，因为一个系统的熵（或无序度）不可能为零。

虽然科学家早就怀疑宇宙中的冷却行为有一个内在的“速度限制”，阻止我们达到绝对零度，但还未弄清楚背后的机制。

最近，在《自然通讯》（Nature Communications）杂志上刊载的一项新研究，旨在通过使用量子力学原理来平息这一争论。来自伦敦大学学院的物理学家研究了这个不可达到性原理，并发现可以定义冷却时的速度限制，防止实现绝对零度。

科学家发现，不能用利用有限的资源把系统冷却到绝对零度。然后物理学家得出结论，在有限时间内把系统冷却到绝对零度是不可能的，并且他们还建立了时间和最低可能温度之间的关系，这就是冷却速度。就像光速一样，冷却速度不是一成不变的，而是取决于环境中声音的速度以及能量注入的快慢。

解决方案来自量子信息的世界。这项研究的主要观点是，冷却过程可以看作是一种计算。一个较冷的系统具有较低的能量，并且可以将其自身排列成更少的状态。因此，在具有较大能量的系统中，粒子可以排列成诸多样式。在某种程度上，有很多不确定性，因为无法确定这些粒子的状态。而在绝对零度时，就可以准确地知道系统的外观。

从这些方面进行考虑，冷却的任务是一个信息问题，研究人员的主要洞察力是了解这种任务的复杂性。这个信息理论与热力学第二定律密切相关——其中量子信息已经被成功地用于证明各种版本。然而，热力学第三条定律并不那么明确。

第三定律的推导可能有一些技术应用，但研究人员强调，其理论价值目前更重要。

该研究合著者Jonathan Oppenheim教授表示：“我们推导出冷却的速度限制，并且它是极其快速的，而我们目前是处于马车的时代。技术目前还没有接近速度限制。不过，这项新研究将给一些特定的冷却机赋予一个框架。

这种研究方式类似于发现光速。知道有一个速度限制是很重要的，即使我们离这个还远着。这项研究意义重大，因为热力学第三定律是当代物理学的根本问题之一，它涉及热力学、量子力学、信息理论，这是许多东西的交汇点。