De Spaanse professor die Einstein corrigeerde: een stille revolutie en 'de laatste spijker in de doodskist'

Al 120 jaar wordt de derde wet van de thermodynamica – die stelt dat de entropie van een zuiver, geordend systeem constant wordt naarmate het het absolute nulpunt nadert – beschouwd als een ogenschijnlijk stevige pijler. Vanuit een kantoor in Sevilla heeft de Spaanse natuurkundige José María Martín Olalla echter een hypothese naar voren gebracht die de fundamenten van die traditie doet wankelen . Zijn studie , onlangs gepubliceerd in The European Physical Journal, daagt niet alleen de klassieke interpretatie van de stelling van Nernst uit, maar stelt ook een onverwachte oplossing voor: wat Einstein als een uitzondering beschouwde, is in feite een logisch gevolg van de tweede wet van de thermodynamica.

Het begon allemaal in 1905, toen de Duitse chemicus Walther Nernst opmerkte dat wanneer materie werd afgekoeld tot temperaturen dicht bij het absolute nulpunt, de entropie – een maatstaf voor wanorde – stopte met veranderen. Dit experimentele idee werd vastgelegd in een stelling: bij een temperatuur van nul graden Celsius neigt de entropie naar een constante waarde. Om dit te rechtvaardigen, redeneerde Nernst dat als men het absolute nulpunt kon bereiken, een motor warmte in arbeid kon omzetten, wat in strijd zou zijn met de tweede hoofdwet van de thermodynamica. Omdat dat niet kon gebeuren, moest de stelling wel kloppen.

Einstein was het daar niet mee eens. Voor hem was het ongeldig om een universele natuurwet te handhaven op basis van een contradictie. Hij redeneerde dat zo'n machine onmogelijk was, maar om een andere reden: zelfs als het absolute nulpunt bereikt kon worden, zou zo'n machine in werkelijkheid niet kunnen werken . Hij postuleerde vervolgens een derde principe dat Nernsts observatie onafhankelijk ondersteunt. Het was een pragmatische oplossing, die decennialang werd geaccepteerd, tot nu toe.

Martín Olalla, hoogleraar aan de Faculteit Natuurkunde van de Universiteit van Sevilla, legt aan ABC uit dat hij deze principes al meer dan twintig jaar uitlegt. Maar pas tijdens het voorbereiden van een aantal lesnotities kwam het baanbrekende idee duidelijk naar voren. Tijdens het ordenen van de interne logica van zijn cursus vond hij wat hij "de laatste spijker in de kerker" noemt.

De sleutel ligt in een geïdealiseerde versie van de Carnot-motor, een theoretisch concept dat de meest efficiënte warmtemotor mogelijk vertegenwoordigt. Wat gebeurt er als een van zijn reservoirs een temperatuur van nul heeft? Volgens de tweede wet kan zo'n motor noch arbeid verrichten, noch entropie uitwisselen. Voilà: dat is precies wat Nernst had waargenomen.

"Wanneer we het over T=0 hebben, erkennen we impliciet dat er een machine bestaat die ons laat weten dat de temperatuur nul is", legt de natuurkundige uit. En door de kenmerken van deze virtuele machine te beschrijven, kom je tot hetzelfde resultaat als Nernst, maar dan zonder de paradoxen.

Wat Einstein in zijn tijd niet in overweging nam

Waarom heeft Einstein dit niet overwogen? Volgens Martín-Olalla zou de verklaring in de context van zijn tijd kunnen liggen. De observatie dat soortelijke warmtes bij T = 0 naar nul neigen, die Nernst in dezelfde tijd ook deed, kon niet worden verklaard door de klassieke natuurkunde. Alleen door toepassing van de opkomende kwantummechanica – die Einstein zelf hielp ontwikkelen – werden bevredigende resultaten behaald. Dit heeft hem mogelijk aangezet tot het overwegen van de noodzaak van een derde, onafhankelijk principe.

De grote bijdrage van Martín Olalla's werk is dat het de stelling van Nernst herintroduceert in de tweede wet, waarmee het de thermodynamica een formele elegantie teruggeeft. Van drie fundamentele wetten gaan we verder met twee.

De implicaties, hoewel subtiel, zijn significant: het maakt een coherenter onderwijs over extreem thermisch gedrag mogelijk en versterkt de logische basis van de tweede wet zelf. Bovendien roept het vragen op in disciplines waar klassieke thermodynamica als analogie dient, zoals kwantumthermodynamica of zelfs thermische modellen van zwarte gaten. "Ik weet niet of het directe implicaties zal hebben in die vakgebieden, maar als de klassieke wetten veranderen, moeten de analogieën ook worden aangepast", merkt de onderzoeker voorzichtig op.

Paradoxaal genoeg vindt dit wetenschappelijke verhaal zijn oorsprong in een collegezaal aan de universiteit. Jarenlang legde Martín Olalla zijn studenten uit – "met enige dramatiek" – wat er zou gebeuren als we het absolute nulpunt zouden bereiken. In een van die lessen stelde hij voor om je een technicus voor te stellen die een systeem tot die grens afkoelt door een hendel te manipuleren. Er gebeurt niets spectaculairs wanneer die grens wordt bereikt. Maar als de technicus de hendel blijft manipuleren, begint de natuurkunde zich absurd te gedragen. Deze absurditeit hielp hem te begrijpen waarom het onmogelijk is om verder te gaan. "En het was vlak na een van die lessen, toen ik in een schrift schreef, dat ik besefte hoe ik de argumentatie moest afronden."

Het artikel heeft enorme media-aandacht gekregen, hoewel het wetenschappelijke proces langzamer vordert. "Dit zijn gevestigde ideeën, en veranderingen vergen tijd en reflectie. Maar als we meer kunnen verklaren met minder principes, is dat altijd welkom ", merkt de professor op. Zijn studenten hebben de verandering in ieder geval al meegemaakt. Zonder het te weten, zagen ze Einstein zelf gecorrigeerd worden.

In de wetenschap ligt echte vooruitgang vaak niet in het ontdekken van nieuwe mogelijkheden, maar in het beter begrijpen van de mogelijkheden die we al hadden. In dit geval heeft een Andalusische natuurkundige aangetoond dat het bekijken van een oude wet vanuit een nieuw perspectief soms de hele kaart kan veranderen. Want in het heelal, net als in de thermodynamica, gaat niets verloren... alles wordt getransformeerd.