Kan temperaturen falde til under det absolutte nulpunkt? Hvad sker der så? Springer den ud i den anden ende af termometeret som Pac-Man og bliver uendeligt varm? Tja, på en måde, og det tilsyneladende skøre koncept er faktisk overraskende almindeligt i fysikken.
En nyligt offentliggjort artikel i Physical Review Letters beskriver et system, hvor negativ temperatur bruges til at forklare et underligt, men virkeligt fænomen i vores fysiske verden.
Forskere beskriver et fysisk system, der både er under “det absolutte nulpunkt” og over “absolut varmt” på samme tid.
Image Credit: Myriams-Fotos via (CC 0)
Men før du kan forstå, hvordan temperaturer kan vendes på hovedet, skal du genlære betydningen af temperatur.
Negativ temperatur er varmere end varmt
De fleste har nok lært i skolen, at temperatur i bund og grund bare er et mål for, hvor kraftigt partiklerne i et system ryster: En høj temperatur betyder masser af rystelser, og det absolutte nulpunkt betyder absolut ingen rystelser. Selv om denne fortolkning kan fungere til at forstå temperaturen i din ovn, er det ikke hele billedet.
For det første er temperatur ikke blot den gennemsnitlige energi af alle partiklerne i et system. Den er faktisk relateret til fordelingen af disse energier. Forestil dig partikler som mursten i en bygning, hvor højden af hver enkelt mursten afspejler hver enkelt partikels energi. Ved lave temperaturer ligner bygningen en pyramide, der er kort og tyk i bunden. Ved højere temperaturer bliver pyramiden højere og tyndere. Denne tendens fortsætter, når temperaturen stiger, op til det, der er kendt som den “absolut høje” temperatur – hvor pyramiden forvandles til en enkelt søjle, der strækker sig fra jorden uendeligt op mod himlen. Det er her, tingene begynder at blive mærkelige.
Hvis man på en eller anden måde kan skubbe systemet et skridt videre end “absolut høj”, opstår pyramideformen pludselig igen, men denne gang er den vendt om – hvert lag indeholder nu flere mursten end det underliggende lag, med uendeligt mange mursten i den uendeligt høje top. Nu kommer det endnu mere mærkelige – når dette sker, bliver “temperaturen” i ligningen, der beskriver denne “pyramides” form, faktisk negativ.
En evigt voksende og uendeligt høj pyramide med hovedet på hovedet lyder måske for latterligt til at tænke på. Det samme gælder for en negativ temperatur, der på en eller anden måde er varmere end uendelig. Men hvis vi holder op med at tænke på partiklernes energier som grænseløse kinetiske energier, er negativ temperatur faktisk en meget reel parameter, der kan bruges til at beskrive fordelingen af andre former for energier i et fysisk system.
“Det er ikke nødvendigvis temperaturen i klassisk forstand – der er forskel på de forskellige måder, hvorpå temperaturen bruges til at måle et systems egenskaber,” siger Stefan Hilbert, en fysiker fra Ludwig Maximilian Universitetet i München i Tyskland, der ikke er involveret i artiklen. “For eksempel kan man have et system med denne såkaldte ‘populationsinversion’ – hvor der er flere dele af systemet i en exciteret tilstand end i en tilstand med lavere energi.”
Med andre ord kan fysiske systemer, der på en eller anden måde begrænser “pyramiden” til et begrænset antal niveauer, faktisk være omvendt. Hvis du vil se denne mekanisme i funktion, skal du blot kigge på den beskedne laserpegepind.
Real world applications for an out-of-this-world concept
Hver gang du klikker på en laserpegepind, får du adgang til magien ved “population inversion”. Atomer “pumpes” fra et lavere energiniveau til et højere energiniveau, hvorefter de falder ned igen og udsender lys i processen.
I dag er forskerne ved at finde måder at manipulere andre exciterbare fysiske systemer på. Spin – den enhed, der bestemmer et atoms magnetiske egenskaber – er blandt de hotteste emner inden for forskning i negative temperaturer.
“Før lasere troede folk, at hvis man har en masse spins, kan man ikke excitere mere end halvdelen af dem, fordi det er den hotteste mulige tilstand,” siger Kae Nemoto, forsker fra National Institute of Informatics i Tokyo og medforfatter af artiklen.
Men forskere har siden vist, at det ikke er sandt. I deres artikel beskriver Nemoto og hendes kolleger en specifik måde at opstille et spinsystem på, så en del af dets befolkning faktisk foretrækker at være så inverteret som muligt. Med andre ord, i modsætning til lasere, hvor man konstant skal “pumpe” atomer op på et højere niveau, strømmer dele af deres spinsystem faktisk naturligt opad.
“, der er en populationsinversion, men det er ikke rigtig en stabil tilstand. Man kan befolke den exciterede tilstand, men atomerne vil ikke blive der i lang, lang tid,” siger William Munro, forsker fra Nippon Telegraph and Telephone Corporation og anden forfatter på artiklen.
Nemoto, Munro og deres kollega Yusuke Hama fra RIKEN Center for Emergent Matter Science i Saitama, Japan, opdagede, at hvis der er to separate lommer af atomer med spins, der deler et reservoir med en fast temperatur, når de to lommer ikke nødvendigvis i sidste ende frem til en ligevægt.
Når de to lommer er lige store, selv når den ene startede med alle spins i den højere tilstand, og den anden alle i den lavere tilstand, ender begge lommer med tiden i midten, med halvdelen af spins i den højere tilstand og halvdelen i den lavere.
Men der sker noget mærkeligt, når de to lommer er af forskellig størrelse. Hvis f.eks. lomme A indeholder flere spins end lomme B, mens alle spins i lomme A er i den højere tilstand, og alle spins i lomme B er i den lavere tilstand, så slapper de to ikke begge af mod den lavest mulige tilstand, som det er tilfældet med en laser. I stedet vil alle spins i lomme B strømme mod den højere tilstand. Med andre ord foretrækker lomme B faktisk at være i den mest inverterede tilstand, der er mulig. Denne afsløring kan være vejledende for fremtidige bestræbelser på at manipulere de magnetiske systemer, der er allestedsnærværende i moderne applikationer.
“Idéen om negative temperaturer er vigtig for fortolkningen af de eksperimentelle resultater af mange fysiske systemer, især for disse spinsystemer,” sagde Hilbert.
-Yuen Yiu, Inside Science News
