Může teplota klesnout pod absolutní nulu? Co se pak stane? Vyskočí na druhém konci teploměru jako Pac-Man a stane se nekonečně horkou? No, tak trochu ano, a tento zdánlivě bláznivý koncept je ve fyzice vlastně překvapivě běžný.
Nedávný článek publikovaný v časopise Physical Review Letters popisuje systém, kde se záporná teplota používá k vysvětlení podivného, ale reálného jevu v našem fyzikálním světě.
Vědci popisují fyzikální systém, který je současně pod „absolutní nulou“ a nad „absolutní horkou“.
Obrázek: Myriams-Fotos via (CC 0)
Ale než pochopíte, jak se dá teplota obrátit vzhůru nohama, budete se muset znovu naučit význam pojmu teplota.
Záporná teplota je teplejší než horká
Většina lidí se pravděpodobně ve škole učila, že teplota je v podstatě jen měření toho, jak silně se částice v systému chvějí: Vysoká teplota znamená velké chvění a absolutní nula znamená naprosto žádné chvění. I když tento výklad může fungovat pro pochopení teploty ve vaší troubě, není to celý obraz.
Pro začátek, teplota není jednoduše průměrná energie všech částic v systému. Ve skutečnosti souvisí s rozložením těchto energií. Představte si částice jako cihly v budově, přičemž výška každé cihly odráží energii každé částice. Při nízkých teplotách vypadá budova podobně jako pyramida, která je krátká a dole tlustá. Při vyšších teplotách je pyramida vyšší a hubenější. Tento trend pokračuje s rostoucí teplotou až k tzv. absolutně vysoké teplotě – kdy se pyramida promění v jediný sloup, který se táhne od země nekonečně vzhůru k nebi.
Pokud se vám podaří nějakým způsobem posunout systém o jeden krok za „absolutně vysokou“ teplotu, tvar pyramidy se náhle znovu objeví, ale tentokrát je převrácený – každá vrstva nyní obsahuje více cihel než ta pod ní, přičemž na nekonečně vysokém vrcholu je nekonečně mnoho cihel. Nyní přichází ještě podivnější část – když se to stane, „teplota“ v rovnici popisující tvar této „pyramidy“ se ve skutečnosti stane zápornou.
Neustále se rozšiřující a nekonečně vysoká pyramida obrácená vzhůru nohama může znít příliš směšně, než aby se nad tím dalo vůbec přemýšlet. Totéž platí pro zápornou teplotu, která je nějakým způsobem teplejší než nekonečno. Pokud však přestaneme uvažovat o energiích částic jako o neomezených kinetických energiích, je záporná teplota ve skutečnosti velmi reálným parametrem, který lze použít k popisu rozložení jiných druhů energií uvnitř fyzikálního systému.
„Nemusí se nutně jednat o teplotu v klasickém smyslu – existuje rozdíl mezi různými způsoby, jakými se teplota používá k měření vlastností systému,“ řekl Stefan Hilbert, fyzik z Ludwig Maximilian University of Munich v Německu, který se na článku nepodílel. „Například můžete mít systém s takzvanou ‚populační inverzí‘ – kdy je více částí systému v excitovaném stavu než ve stavu s nižší energií.“
Jinými slovy, fyzikální systémy, které nějakým způsobem omezují „pyramidu“ na konečný počet úrovní, mohou být skutečně inverzní. Chcete-li vidět tento mechanismus v praxi, nehledejte nic jiného než nenápadné laserové ukazovátko.
Reálné aplikace konceptu z jiného světa
Pokud kliknete na laserové ukazovátko, využijete kouzlo „populační inverze“. Atomy jsou „přečerpány“ z nižší energetické hladiny na vyšší a pak spadnou zpět dolů, přičemž vyzařují světlo.
Dnes vědci objevují způsoby, jak manipulovat s dalšími excitačními fyzikálními systémy. Spin – entita, která určuje magnetické vlastnosti atomu – patří mezi nejžhavější témata výzkumu záporných teplot.
„Před lasery si lidé mysleli, že pokud máte několik spinů, nemůžete excitovat více než polovinu z nich, protože to je nejžhavější možný stav,“ řekl Kae Nemoto, výzkumník z Národního institutu informatiky v Tokiu a autor článku.
Od té doby však vědci ukázali, že to není pravda. Nemoto a její kolegové ve svém článku popisují specifický způsob, jak nastavit spinový systém tak, aby část jeho populace skutečně preferovala co nejvíce inverzní stav. Jinými slovy, na rozdíl od laserů, kde je třeba neustále „pumpovat“ atomy do vyšší úrovně, části jejich spinového systému ve skutečnosti přirozeně proudí nahoru.
„, dochází k inverzi populace, ale ve skutečnosti se nejedná o ustálený stav. Můžete zalidnit excitovaný stav, ale atomy v něm nezůstanou po dlouhou, dlouhou dobu,“ řekl William Munro, výzkumník z Nippon Telegraph and Telephone Corporation a další autor článku.
Nemoto, Munro a jejich kolega Yusuke Hama z RIKEN Center for Emergent Matter Science v japonské Saitamě zjistili, že pokud existují dvě oddělené kapsy atomů se spiny sdílející zásobník s pevnou teplotou, nemusí tyto dvě kapsy nakonec nutně dosáhnout rovnováhy.
Pokud jsou obě kapsy stejně velké, i když jedna z nich začínala se všemi spiny ve vyšším stavu a druhá se všemi v nižším, časem obě kapsy skončí uprostřed, s polovinou spinů ve vyšším stavu a polovinou v nižším.
Ale něco zvláštního se stane, když jsou obě kapsy různě velké. Například pokud kapsa A obsahuje více spinů než kapsa B, přičemž všechny spiny v kapse A jsou ve vyšším stavu a všechny spiny v kapse B jsou v nižším stavu, pak obě nepolevují směrem k nejnižšímu možnému stavu jako u laseru. Místo toho by všechny spiny v kapse B proudily směrem k vyššímu stavu. Jinými slovy, kapsa B ve skutečnosti dává přednost tomu, aby byla v co nejvíce invertovaném stavu. Tento objev může být vodítkem pro budoucí snahy o manipulaci s magnetickými systémy, které jsou všudypřítomné v moderních aplikacích.
„Myšlenka záporných teplot je důležitá pro interpretaci experimentálních výsledků mnoha fyzikálních systémů, zejména pro tyto spinové systémy, “ řekl Hilbert.
-Yuen Yiu, Inside Science News
