Físicos provam que é impossível arrefecer um objecto a zero absoluto

Os físicos Lluís Masanes e Jonathan Oppenheim, da Universidade College London, no Reino Unido, derivaram a terceira lei da termodinâmica a partir dos primeiros princípios.

Em janeiro, físicos do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia dos EUA em Boulder, Colorado, conseguiram arrefecer um objecto para além do limite conhecido: menos de um quinto de um “quantum”, a energia contida num fotão. Mas uma equipa de físicos do UCL acaba de provar que atingir o zero absoluto é mesmo uma impossibilidade física.

Em 1912, o químico Walther Nernst propôs que arrefecer um objecto ao zero absoluto seria impossível com uma quantidade finita de tempo e recursos.

Hoje, essa ideia, chamada de Princípio da Inatingibilidade, é a versão mais amplamente aceite da terceira lei da termodinâmica, mas ainda não tinha sido provada a partir dos dois primeiros princípios.

Após mais de 100 anos, o resultado deste estudo finalmente coloca a terceira lei no mesmo nível que a primeira e a segunda, ambas já provadas. Para provar a terceira lei, os físicos usaram ideias da ciência da computação e da teoria da informação quântica – por exemplo, quanto trabalho e espaço é preciso para executar uma tarefa.

O estudo foi apresentado num artigo publicado na revista Nature.

“O objectivo principal da física fundamental é derivar todas as leis da Natureza, e descrever todos os fenómenos usando apenas um conjunto limitado de princípios básicos”, explicou um dos autores do estudo, Lluís Masanes, à Phys.org.

O que é preciso para arrefecer um objecto a zero absoluto — 0º Kelvin ou -273,15 °C? Os físicos mostraram que o arrefecimento de um sistema a zero absoluto exigiria uma quantidade infinita de trabalho ou um reservatório infinito.

Essa constatação está de acordo com a explicação física amplamente aceite da Inatingibilidade do zero absoluto: à medida que a temperatura se aproxima de zero, a entropia (desordem) do sistema aproxima-se de zero também – e não é possível preparar um sistema num estado de entropia zero num número de passos finitos.

O resultado levou os físicos a uma segunda pergunta: se não podemos alcançar o zero absoluto, então quão perto podemos chegar dele, com tempo e recursos finitos?

Os cientistas mostraram que temperaturas mais baixas podem ser obtidas com apenas um modesto aumento de recursos. Mas há limites. Por exemplo, um sistema não pode ser arrefecido exponencialmente rapidamente, uma vez que isso resultaria numa capacidade de calor negativo, o que é uma impossibilidade física.

Uma das melhores características dessa prova teórica é que ela se aplica não só aos grandes sistemas clássicos, com os quais a termodinâmica tradicionalmente lida, mas também a sistemas quânticos e a qualquer tipo concebível de processo de resfriamento.

Por esta razão, os resultados têm implicações generalizadas e aplicações práticas.

O arrefecimento a temperaturas muito baixas é, por exemplo, um componente-chave em muitas tecnologias, como os computadores quânticos e os sistemas de medições de alta precisão.

E entender o que é necessário para se aproximar do zero absoluto pode ajudar-nos a orientar o desenvolvimento e a optimização de futuros protocolos de arrefecimento para essas aplicações.

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