Viac ako sto rokov boli tri zákony termodynamiky neotrasiteľným základom fyziky. Prvý a druhý zákon, týkajúce sa zachovania energie a neustáleho rastu entropie, sa zdajú byť nepopierateľné.
Ale čo ak sa ukáže, že tretí z nich, opisujúci správanie hmoty pri extrémne nízkych teplotách, nie je vôbec samostatným zákonom, ale len dôsledkom toho, čo už vieme? Nuž, práve sa objavili hlasy, že to tak môže byť.
Španielsky teoretický fyzik, profesor José María Martín-Olalla z Univerzity v Seville, uverejnil analýzu, ktorá spochybňuje nutnosť existencie tretieho zákona termodynamiky. Jeho práca ukazuje, že javy pozorované pri teplotách blízko absolútnej nule možno vysvetliť výlučne na základe druhého zákona. Je to odvážna hypotéza, ktorá by, ak by bola všeobecne prijatá, mohla zjednodušiť základy celej disciplíny.
Záhada miznúceho merného tepla pri najnižších teplotách
Aby sme pochopili podstatu problému, musíme sa obrátiť na pojem merná tepelná kapacita. Ten hovorí o tom, koľko energie je potrebné dodať, aby sa zvýšila teplota danej látky. Pri priblížení sa k absolútnej nule, t. j. približne k mínus 273,15 stupňom Celzia, sa táto hodnota prudko znižuje, takmer na nulu. Pre fyzikov začiatku minulého storočia to bol vážny problém, pretože v rámci klasickej termodynamiky to bolo ťažké vysvetliť – znamenalo to, že v podmienkach extrémnej zimy dochádza k zmene teploty bez výmeny energie.
Toto zdanlivo paradoxné správanie si vyžadovalo nový spôsob myslenia. V roku 1907 Albert Einstein, odvolávajúc sa na rodiacu sa kvantovú fyziku, navrhol prvé vysvetlenie. Jeho myšlienka, ktorú neskôr rozvinul Walter Nernst, sa upevnila ako tretí zákon termodynamiky, ktorý tvrdí, že nie je možné dosiahnuť absolútnu nulu za konečný počet operácií. Po desaťročia bola považovaná za nezávislú základnú axiómu.
Klasické vysvetlenie namiesto kvantovej revolúcie
Martin-Olaia ponúka iný, prekvapivo jednoduchý prístup. Podľa neho zmiznutie merného tepla pri extrémne nízkych teplotách nie je priamym dôsledkom kvantovej povahy hmoty, ale dôsledkom stability termodynamickej rovnováhy. To znamená, že systémy, ktoré sú v rovnováhe, majú tendenciu zostať v tomto stave, pokiaľ nie sú podstatne narušené zvonku.
Dôležité je, že táto základná vlastnosť stability priamo vyplýva z druhého zákona termodynamiky týkajúceho sa entropie. Výskumník zo Sevilly tak spája javy, ktoré sa doteraz považovali za vyžadujúce samostatné zákony. Jeho práca je súčasťou širšieho projektu – v júni 2025 publikoval podobnú štúdiu, v ktorej spojil inú všeobecnú vlastnosť hmoty s druhým zákonom, pričom upravil niektoré aspekty pôvodnej Einsteinovej myšlienky.
Čo to znamená pre budúcnosť fyziky?
Dôsledky môžu byť veľmi závažné. Ak sa interpretácia Martina-Ollaliho potvrdí, na opis makroskopických vlastností hmoty v celom teplotnom rozsahu, vrátane extrémne nízkych teplôt, budú potrebné len dva princípy: zachovanie energie a rast entropie. Tretí princíp prestane byť nezávislým zákonom a stane sa tvrdením vyplývajúcim z ostatných.
Profesor analyzoval podmienku tepelnej stability, ktorá vyžaduje, aby bola merná tepelná kapacita kladná pre teploty nad absolútnou nulou. Z tej istej podmienky vyplýva, že pri absolútnej nule by sa merná tepelná kapacita mala predvídateľným spôsobom blížiť k nule.
Hmota, ktorá sa snaží dosiahnuť stav maximálnej stability, jednoducho vyhýba situáciám, ktoré by pri najnižších teplotách viedli k nestabilite. Na mikroskopickej úrovni to stále možno opísať jazykom kvantovej fyziky, ale na makroskopickej úrovni stačí dôsledné uplatňovanie druhého zákona.
Samozrejme, jedna práca nemôže hneď vyvrátiť storočnú paradigmu. Je potrebné dôkladné posúdenie argumentov komunitou teoretických fyzikov a možné potvrdenie v iných centrách. Napriek tomu je samotný pokus zaujímavý. Ukazuje, že aj v zrelých oblastiach vedy sa niekedy oplatí spochybňovať zaužívané poriadky, pretože hlbšie pochopenie môže viesť k väčšej jednoduchosti. Táto štúdia je príkladom takéhoto úsilia – hľadania elegancie a úspornosti v zákonoch, ktoré opisujú náš svet.
