¿Podremos alcanzar el cero absoluto algún día, y si es así, podremos medirlo?

Question

Estaba leyendo esta pregunta Y me surgió la duda, si alguna vez podemos alcanzar el cero absoluto, ¿cómo podemos medirlo?

Lo pregunto porque hasta donde yo sé, cualquier medida podría cambiar (aumentar) la temperatura.

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Llegar al cero absoluto es una hipótesis. Mi duda es, si hipotéticamente un día podemos llegar al cero absoluto, tener una forma de medir esta temperatura? O de manera similar a la computadora cuántica, no puede probar que es realmente cuántica, no puede probar que es realmente en -273 Celsius, o 0 K.?

Answer 1

Primero consideremos el problema de alcanzar el cero absoluto. Esto no puede hacerse utilizando únicamente medios termodinámicos (lo que significa que las reglas del juego son que sólo se tiene acceso a algunos de los parámetros macroscópicos del sistema). Esto es fácil de entender; sólo hay dos maneras de enfriar un objeto: puedes ponerlo en contacto con algo más frío (obviamente, si vas a crear algo más frío de lo que tienes acceso, esta opción no va a estar disponible), o puedes dejar que realice un trabajo. Ahora bien, si dejas que un objeto realice trabajo, su entropía, en el mejor de los casos, seguirá siendo la misma, mientras que en el cero absoluto es cero. Por lo tanto, tampoco se puede alcanzar el cero absoluto de esta manera.

Ahora bien, todavía podemos alcanzar el cero absoluto simplemente poniendo un sistema en su estado mecánico cuántico básico. Esto requiere tener un control total de todos los grados de libertad del sistema. Pero ese control también permite saber que el sistema está de hecho en el estado básico. Tomemos, por ejemplo, un ordenador cuántico con todos sus qubits inicializados a cero. Entonces se tiene un control arbitrario de todos los grados de libertad de ese sistema. Sin embargo, también se puede argumentar que todo el concepto de temperatura y termodinámica no es realmente aplicable aquí. Sólo es útil cuando sólo se tiene una descripción macroscópica incompleta de un sistema; entonces hay un gran número de estados microscópicos consistentes con esa descripción macroscópica, el tratamiento estadístico de estos últimos conduce entonces a las leyes de la termodinámica.

Answer 2

Creo que algunos detalles dependerían de cómo se defina el cero absoluto, pero en cualquier caso, podría ser teóricamente posible observar que un sistema fue en el cero absoluto, pero el acto de observarlo haría que ya no sea en el cero absoluto.

Probemos esto con dos definiciones diferentes.

Para la primera, utilizaremos un termodinámica (macroscópica en contraposición a la microscópica) donde la temperatura es una función de la energía cinética media de todas las moléculas de un sistema, y la temperatura define la dirección del flujo de calor. Supongamos que tenemos una forma de desviar todo el calor a una región de menos de cero absoluto (obviamente no es posible en la realidad, así que usaremos un rayo mágico de congelación) y el resultado es una colección de moléculas con energía cinética cero.

Ahora la pregunta es: ¿tiene energía cinética cero con respecto a qué? Si medimos las velocidades de las moléculas entre sí, podemos decir que tienen energía cinética cero. ¿Pero qué pasa con respecto a nosotros, el observador? ¿O con respecto al recipiente en el que se encuentran las moléculas? Dado que las moléculas de las que estamos hechos son no en el cero absoluto, entonces en relación con nosotros, todavía hay algo de temperatura.

Así que utilizamos nuestro rayo mágico de congelación en nosotros mismos y en el resto del universo hasta que no quede nada de energía cinética. Ahora, queremos observe o medir que estamos en el cero absoluto. Tendremos que encontrar alguna forma de medir el momento de otra molécula en relación con nosotros. La forma menos intrusiva de hacerlo es con luz, pero incluso con luz, introduciremos algún cambio en el sistema que hará que deje de estar en el cero absoluto.

Veamos otra definición (la que utiliza @Count Iblis). Aquí decimos que un sistema en su estado de energía mecánica cuántica más bajo está en el cero absoluto. Es otra forma de decir que no se puede extraer más energía (de ningún tipo) del sistema. Como dijo, si pudieras poner tal sistema en su estado de energía más bajo, entonces debes tener alguna forma de conocer el estado actual, y por lo tanto, sabrías que está en el cero absoluto. Esto es algo así como el argumento de los rayos congelados de arriba. Sin embargo, si queremos observe en el cero absoluto (que creo que es lo que estás preguntando), tenemos que interactuar con él de alguna manera. Una vez más, la luz es la mejor opción, pero incluso la luz impartirá algo de energía al sistema, y lo sacará del estado básico.

Y así, en resumen, creo que podemos decir que si fuera posible llevar un sistema al cero absoluto, entonces se podría decir que fue en el cero absoluto, pero no se podría decir que es en el cero absoluto, no se podría observar sin perturbarlo.