Định luật vật lý 120 năm tuổi mà Einstein từng sai đã được chứng minh lại

Một giáo sư vật lý tại Đại học Seville (Universidad de Sevilla, Tây Ban Nha) vừa giải quyết xong một bài toán trong lĩnh vực nhiệt động lực học tồn tại suốt hơn một thế kỷ, đồng thời đưa ra một chứng minh mới thách thức cả quan điểm từng được Albert Einstein đưa ra.

Nghiên cứu của giáo sư José María Martín Olalla, công bố trên tạp chí The European Physical Journal Plus , tập trung vào định lý nhiệt của Nernst. Định lý này, được phát biểu lần đầu vào năm 1905, cho rằng khi nhiệt độ tiến gần đến độ không tuyệt đối, thì sự trao đổi entropy (mức độ hỗn loạn) cũng tiến gần về 0. Trong bài báo, Martín Olalla chứng minh rằng định lý này có thể được chứng minh chỉ dựa trên định luật thứ hai của nhiệt động lực học – vốn khẳng định entropy của vũ trụ luôn tăng.

Điểm đặc biệt là ông định nghĩa trạng thái T=0 bằng một khái niệm gọi là nhiệt kế Carnot. Cách định nghĩa này không phụ thuộc vào việc nhiệt dung có triệt tiêu hay không, cũng không phụ thuộc vào khả năng con người có thể đạt tới độ không tuyệt đối. Theo nghiên cứu, phương pháp này giúp mở rộng phạm vi áp dụng của định luật thứ hai, đồng thời thu hẹp định luật thứ ba của nhiệt động lực học vào một phát biểu duy nhất: entropy của một vật thể đồng nhất về hóa học, có mật độ hữu hạn, không bao giờ được âm.

Cuộc tranh luận kéo dài từ thời Nernst và Einstein

Vào đầu những năm 1900, các nhà khoa học bắt đầu nghiên cứu cách vật chất hoạt động gần độ không tuyệt đối (–273°C). Nhà hóa học Walther Nernst, người đoạt giải Nobel năm 1920, từng khẳng định vào năm 1912 rằng độ không tuyệt đối không thể đạt được. Ông lý giải: nếu đạt được, con người có thể chế tạo một cỗ máy dùng độ không tuyệt đối làm chất làm mát để biến toàn bộ nhiệt thành công, phá vỡ định luật entropy luôn tăng.

Einstein thì phản đối. Ông cho rằng cỗ máy như vậy sẽ chẳng bao giờ được chế tạo trong thực tế, nên nó không đe dọa gì đến định luật thứ hai. Einstein tách riêng định lý Nernst khỏi định luật thứ hai và xem nó như một nguyên lý độc lập – tức là định luật thứ ba.

Chứng minh của Martín Olalla đã đưa cỗ máy giả tưởng kia trở lại cuộc thảo luận, nhưng với một “plot twist”: theo ông, định luật thứ hai buộc cỗ máy này phải tồn tại ở dạng “ảo” – tức là nó không tiêu thụ nhiệt, không sinh công, và không vi phạm quy luật nào của nhiệt động lực học. Kết hợp cùng cách định nghĩa bằng nhiệt kế Carnot, kết luận được đưa ra là: khi nhiệt độ tiến về 0 tuyệt đối, trao đổi entropy tiến về 0, và độ không tuyệt đối là bất khả đạt.

Ý nghĩa của chứng minh mới

Giáo sư Martín Olalla giải thích:

“Một vấn đề cơ bản của nhiệt động lực học là phân biệt giữa cảm giác nóng – lạnh mà chúng ta cảm nhận, với khái niệm trừu tượng về nhiệt độ như một đại lượng vật lý. Trên thực tế, định luật thứ hai mang lại một khái niệm rõ ràng hơn về điểm 0 tự nhiên của nhiệt độ. Ý tưởng này không liên quan đến cảm giác, mà đến cỗ máy do Nernst tưởng tượng ra, nhưng phải ở dạng ảo. Điều này thay đổi căn bản cách chúng ta chứng minh định lý.”

Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng tính chất duy nhất của vật chất gần độ không tuyệt đối không gắn với định luật thứ hai là sự triệt tiêu nhiệt dung, như Nernst từng ghi nhận năm 1912. Theo Martín Olalla, đây giống như một “phụ lục quan trọng” hơn là một nguyên lý mới. Ông chia sẻ thêm:

“Tôi hy vọng với việc công bố nghiên cứu, chứng minh này sẽ được biết đến rộng rãi hơn, dù tôi hiểu thế giới học thuật luôn có độ trễ lớn.”