Kann die Temperatur unter den absoluten Nullpunkt fallen? Was passiert dann? Springt sie am anderen Ende des Thermometers heraus wie Pac-Man und wird unendlich heiß? Nun, irgendwie schon, und das scheinbar verrückte Konzept ist in der Physik tatsächlich überraschend häufig anzutreffen.
Eine kürzlich in Physical Review Letters veröffentlichte Arbeit beschreibt ein System, in dem negative Temperatur verwendet wird, um ein seltsames, aber reales Phänomen in unserer physikalischen Welt zu erklären.
Wissenschaftler beschreiben ein physikalisches System, das gleichzeitig unter „absolutem Nullpunkt“ und über „absolut heiß“ liegt.
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Aber bevor man verstehen kann, wie Temperaturen auf den Kopf gestellt werden können, muss man die Bedeutung von Temperatur neu lernen.
Negative Temperatur ist heißer als heiß
Die meisten Menschen haben wahrscheinlich in der Schule gelernt, dass Temperatur im Grunde nur ein Maß dafür ist, wie stark die Teilchen in einem System zittern: Eine hohe Temperatur bedeutet viel Schütteln, und der absolute Nullpunkt bedeutet absolut kein Schütteln. Diese Interpretation mag zwar für das Verständnis der Temperatur in Ihrem Backofen funktionieren, aber sie ist nicht das ganze Bild.
Zunächst einmal ist die Temperatur nicht einfach die durchschnittliche Energie aller Teilchen in einem System. Sie hängt vielmehr mit der Verteilung dieser Energien zusammen. Stellen Sie sich die Teilchen als Ziegelsteine in einem Gebäude vor, wobei die Höhe der einzelnen Ziegelsteine die Energie der einzelnen Teilchen widerspiegelt. Bei niedrigen Temperaturen sieht das Gebäude aus wie eine Pyramide, die unten kurz und dick ist. Bei höheren Temperaturen wird die Pyramide höher und dünner. Dieser Trend setzt sich mit steigender Temperatur fort, bis hin zur so genannten „absoluten Höchsttemperatur“, bei der sich die Pyramide in eine einzige Säule verwandelt, die sich vom Boden aus unendlich weit in den Himmel erstreckt. An dieser Stelle beginnen die Dinge seltsam zu werden.
Wenn man das System irgendwie einen Schritt über den „absoluten Höhepunkt“ hinausschieben kann, taucht die Pyramidenform plötzlich wieder auf, aber dieses Mal ist sie umgedreht – jede Schicht enthält jetzt mehr Steine als die darunter liegende, mit unendlich vielen Steinen an der unendlich hohen Spitze. Jetzt kommt der noch seltsamere Teil: Wenn dies geschieht, wird die „Temperatur“ in der Gleichung, die die Form dieser „Pyramide“ beschreibt, tatsächlich negativ.
Eine sich ständig ausdehnende und unendlich hohe, auf dem Kopf stehende Pyramide mag zu absurd klingen, um überhaupt darüber nachzudenken. Dasselbe gilt für eine negative Temperatur, die irgendwie heißer als unendlich ist. Aber wenn wir aufhören, uns die Energien der Teilchen als grenzenlose kinetische Energien vorzustellen, ist die negative Temperatur tatsächlich ein sehr realer Parameter, der verwendet werden kann, um die Verteilung anderer Arten von Energien innerhalb eines physikalischen Systems zu beschreiben.
„Dies ist nicht unbedingt die Temperatur im klassischen Sinne – es gibt einen Unterschied zwischen den verschiedenen Arten, wie die Temperatur verwendet wird, um die Eigenschaften eines Systems zu messen“, sagt Stefan Hilbert, ein Physiker der Ludwig-Maximilians-Universität München in Deutschland, der nicht an der Arbeit beteiligt war. „Man kann zum Beispiel ein System mit einer so genannten ‚Populationsinversion‘ haben, bei der sich mehr Teile des Systems in einem angeregten Zustand befinden als in einem Zustand mit niedrigerer Energie“
Mit anderen Worten: Physikalische Systeme, bei denen die „Pyramide“ irgendwie auf eine endliche Anzahl von Niveaus beschränkt ist, können tatsächlich umgekehrt sein. Um zu sehen, wie dieser Mechanismus funktioniert, braucht man sich nur den unscheinbaren Laserpointer anzuschauen.
Reale Anwendungen für ein außergewöhnliches Konzept
Jedes Mal, wenn Sie auf einen Laserpointer klicken, nutzen Sie die Magie der „Populationsinversion“. Atome werden von einem niedrigeren Energieniveau auf ein höheres „gepumpt“ und fallen dann wieder zurück, wobei sie Licht aussenden.
Heute finden Wissenschaftler Wege, um andere anregbare physikalische Systeme zu manipulieren. Der Spin – die Einheit, die die magnetischen Eigenschaften eines Atoms bestimmt – ist eines der heißesten Themen in der Negativtemperatur-Forschung.
„Vor dem Laser dachte man, wenn man ein Bündel von Spins hat, kann man nicht mehr als die Hälfte von ihnen anregen, weil das der heißeste mögliche Zustand ist“, sagte Kae Nemoto, eine Forscherin vom National Institute of Informatics in Tokio und eine Autorin der Arbeit.
Wissenschaftler haben aber inzwischen gezeigt, dass das nicht stimmt. In ihrer Arbeit beschreiben Nemoto und ihre Kollegen einen speziellen Weg, ein Spinsystem so einzurichten, dass ein Teil seiner Population es vorzieht, so invertiert wie möglich zu sein. Mit anderen Worten: Anders als bei Lasern, bei denen man Atome ständig in ein höheres Niveau „pumpen“ muss, fließen Teile ihres Spinsystems tatsächlich auf natürliche Weise nach oben.
“ Es gibt zwar eine Populationsinversion, aber es handelt sich nicht wirklich um einen stationären Zustand. Man kann den angeregten Zustand bevölkern, aber die Atome werden dort nicht für lange Zeit bleiben“, sagte William Munro, ein Forscher der Nippon Telegraph and Telephone Corporation und ein weiterer Autor der Arbeit.
Nemoto, Munro und ihr Kollege Yusuke Hama vom RIKEN Center for Emergent Matter Science in Saitama, Japan, entdeckten, dass, wenn es zwei getrennte Taschen mit Atomen mit Spins gibt, die sich ein Reservoir mit einer festen Temperatur teilen, die beiden Taschen am Ende nicht unbedingt ein Gleichgewicht erreichen.
Selbst wenn die beiden Taschen gleich groß sind und sich in der einen anfangs alle Spins im höheren und in der anderen im niedrigeren Zustand befanden, landen beide Taschen mit der Zeit in der Mitte, mit der Hälfte der Spins im höheren und der Hälfte im niedrigeren Zustand.
Etwas Seltsames passiert aber, wenn die beiden Taschen unterschiedlich groß sind. Wenn zum Beispiel Tasche A mehr Spins enthält als Tasche B, während sich alle Spins in Tasche A im höheren und alle Spins in Tasche B im niedrigeren Zustand befinden, dann entspannen sich beide nicht wie bei einem Laser auf den niedrigstmöglichen Zustand. Stattdessen würden alle Spins in Tasche B in Richtung des höheren Zustands fließen. Mit anderen Worten: Tasche B zieht es vor, sich in einem möglichst invertierten Zustand zu befinden. Diese Entdeckung kann bei künftigen Bemühungen um die Manipulation magnetischer Systeme, die in modernen Anwendungen allgegenwärtig sind, von Nutzen sein.
„Die Idee negativer Temperaturen ist wichtig für die Interpretation der experimentellen Ergebnisse vieler physikalischer Systeme, insbesondere für diese Spinsysteme“, so Hilbert.
-Yuen Yiu, Inside Science News
