Der spanische Professor, der Einstein korrigierte: eine stille Revolution und „der letzte Nagel im Sarg“

120 Jahre lang galt der dritte Hauptsatz der Thermodynamik als scheinbar unumstößliche Säule. Er besagt, dass die Entropie eines reinen, geordneten Systems konstant wird, wenn sie sich dem absoluten Nullpunkt nähert. Der spanische Physiker José María Martín Olalla hat jedoch von seinem Büro in Sevilla aus eine Hypothese aufgestellt, die diese Tradition in ihren Grundfesten erschüttert . Seine kürzlich im European Physical Journal veröffentlichte Studie stellt nicht nur das klassische Verständnis von Nernsts Theorem in Frage, sondern schlägt auch eine unerwartete Lösung vor: Was Einstein für eine Ausnahme hielt, ist in Wirklichkeit eine logische Konsequenz des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik.

Alles begann im Jahr 1905, als der deutsche Chemiker Walther Nernst beobachtete, dass sich die Entropie – ein Maß für Unordnung – nicht mehr veränderte, wenn Materie auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt abgekühlt wurde. Diese experimentelle Idee wurde in einem Theorem zusammengefasst: Bei Null tendiert die Entropie zu einem konstanten Wert. Nernst begründete dies damit, dass ein Motor bei Erreichen des absoluten Nullpunkts Wärme in Arbeit umwandeln könnte, was den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik verletzen würde. Da dies jedoch nicht möglich sei, müsse das Theorem stimmen.

Einstein war anderer Meinung. Für ihn war es nicht möglich, ein universelles physikalisches Gesetz auf der Grundlage eines Widerspruchs aufzustellen. Er argumentierte, dass eine solche Maschine unmöglich sei, allerdings aus einem anderen Grund: Selbst wenn der absolute Nullpunkt erreicht werden könnte, könnte eine solche Maschine in der Realität nicht funktionieren . Er postulierte dann ein drittes Prinzip, das Nernsts Beobachtung unabhängig davon stützt. Es war eine pragmatische Lösung, die jahrzehntelang – bis heute – akzeptiert wurde.

Martín Olalla, Professor an der Fakultät für Physik der Universität Sevilla, erklärt gegenüber ABC, dass er diese Prinzipien seit über zwanzig Jahren erkläre. Doch erst bei der Erstellung von Unterrichtsunterlagen sei ihm die grundlegende Idee klar geworden. Beim Aufbau der inneren Logik seines Kurses habe er „den letzten Nagel gefunden, der die Kiste versiegelt“, wie er es nennt.

Der Schlüssel liegt in einer idealisierten Version der Carnot-Maschine, einem theoretischen Konstrukt, das die effizienteste Wärmekraftmaschine darstellt, die es gibt. Was passiert, wenn einer ihrer Behälter die Temperatur Null erreicht? Nach dem zweiten Hauptsatz kann eine solche Maschine weder Arbeit verrichten noch Entropie austauschen. Voilà: Genau das hatte Nernst beobachtet.

„Wenn wir von T=0 sprechen, geben wir implizit zu, dass es eine Maschine gibt, die uns wissen lässt, dass die Temperatur Null ist“, erklärt der Physiker. Und indem man die Eigenschaften dieser virtuellen Maschine beschreibt, gelangt man zum gleichen Ergebnis wie Nernst, allerdings ohne die Paradoxien.

Was Einstein seinerzeit nicht bedacht hat

Warum hat Einstein dies nicht berücksichtigt? Laut Martín-Olalla könnte die Erklärung im Kontext seiner Zeit liegen. Die Beobachtung, dass die spezifische Wärmekapazität bei T = 0 gegen Null tendiert, die ebenfalls Nernst zur gleichen Zeit machte, ließ sich mit der klassischen Physik nicht erklären. Erst durch die Anwendung der noch jungen Quantenmechanik – an deren Entwicklung Einstein selbst beteiligt war – konnten zufriedenstellende Ergebnisse erzielt werden. Dies könnte ihn dazu veranlasst haben, die Notwendigkeit eines dritten, unabhängigen Prinzips in Betracht zu ziehen.

Der große Beitrag von Martín Olallas Arbeit besteht darin, dass er den Nernstschen Satz wieder in den zweiten Hauptsatz einfügt und der Thermodynamik damit ihre formale Eleganz zurückgibt. Von drei Grundgesetzen gehen wir zu zwei über.

Die Auswirkungen sind zwar subtil, aber bedeutsam: Sie ermöglichen eine schlüssigere Lehre extremen thermischen Verhaltens und stärken die logische Grundlage des zweiten Hauptsatzes. Darüber hinaus wirft sie Fragen in Disziplinen auf, in denen die klassische Thermodynamik als Analogie dient, wie etwa in der Quantenthermodynamik oder sogar in thermischen Modellen Schwarzer Löcher. „Ich weiß nicht, ob es in diesen Bereichen direkte Auswirkungen haben wird, aber wenn sich die klassischen Gesetze ändern, sollten auch die Analogien angepasst werden“, merkt der Forscher vorsichtig an.

Paradoxerweise hat diese wissenschaftliche Geschichte ihren Ursprung in einem Universitätsvortrag. Jahrelang erklärte Martín Olalla seinen Studenten – „mit einer gewissen Dramatik“ –, was passieren würde, wenn wir den absoluten Nullpunkt erreichen könnten. In einer dieser Vorlesungen schlug er vor, sich einen Techniker vorzustellen, der ein System durch Betätigen eines Hebels bis zu diesem Grenzwert abkühlt. Nichts Spektakuläres passiert, wenn dieser Schwellenwert erreicht ist. Betätigt der Techniker den Hebel jedoch weiter, beginnt die Physik absurde Verläufe zu zeigen. Diese Absurdität half ihm zu verstehen, warum es unmöglich ist, weiter zu gehen. „Und gleich nach einer dieser Vorlesungen, als ich in meinem Notizbuch schrieb, wurde mir klar, wie ich die Argumentation zu Ende bringen konnte.“

Der Artikel hat enormes Medieninteresse geweckt, obwohl der wissenschaftliche Prozess langsamer voranschreitet. „Dies sind gut etablierte Ideen, und Änderungen erfordern Zeit und Reflexion. Aber wenn wir mit weniger Prinzipien mehr erklären können, ist das immer willkommen “, bemerkt der Professor. Zumindest seine Studenten haben den Wandel bereits miterlebt. Ohne es zu wissen, sahen sie, wie Einstein persönlich korrigiert wurde.

In der Wissenschaft liegt wahrer Fortschritt oft nicht in der Entdeckung neuer Möglichkeiten, sondern im besseren Verständnis der bestehenden. Ein andalusischer Physiker hat gezeigt, dass die Betrachtung eines alten Gesetzes aus einer neuen Perspektive manchmal die gesamte Karte verändern kann. Denn im Universum geht, wie in der Thermodynamik, nichts verloren ... alles verändert sich.