Voiko lämpötila laskea absoluuttisen nollapisteen alapuolelle? Mitä silloin tapahtuu? Ponnahtaako se ulos lämpömittarin toisesta päästä kuin Pac-Man ja muuttuu äärettömän kuumaksi? No, tavallaan, ja hullunkuriselta vaikuttava käsite on itse asiassa yllättävän yleinen fysiikassa.
Fysikaalisessa aikakauslehdessä Physical Review Letters julkaistussa tuoreessa artikkelissa kuvataan systeemiä, jossa negatiivista lämpötilaa käytetään selittämään outoa, mutta todellista ilmiötä fysikaalisessa maailmassamme.
Tutkijat kuvaavat fysikaalista systeemiä, joka on samanaikaisesti sekä ”absoluuttisen nollapisteen alapuolella” että sen yläpuolella ja toisaalta myöskin ”absoluuttisen kuumana”.
Image Credit: Myriams-Fotos via (CC 0)
Mutta ennen kuin voit ymmärtää, miten lämpötilat voidaan kääntää ylösalaisin, sinun on opeteltava uudelleen lämpötilan merkitys.
Negatiivinen lämpötila on kuumempaa kuin kuuma
Vähemmistö ihmisistä on luultavasti oppinut koulussa, että lämpötila on pohjimmiltaan vain mittari, joka kertoo, kuinka voimakkaasti systeemin hiukkaset tärisevät: Korkea lämpötila tarkoittaa voimakasta ravistelua, ja absoluuttinen nollapiste tarkoittaa, ettei mitään ravistelua tapahdu lainkaan. Vaikka tämä tulkinta voi toimia uunisi lämpötilan ymmärtämiseksi, se ei ole koko kuva.
Lämpötila ei ensinnäkään ole vain systeemin kaikkien hiukkasten keskimääräinen energia. Se liittyy itse asiassa näiden energioiden jakautumiseen. Kuvittele hiukkaset tiilinä rakennuksessa, jossa kunkin tiilen korkeus heijastaa kunkin hiukkasen energiaa. Matalissa lämpötiloissa rakennus muistuttaa pyramidia, joka on lyhyt ja alaosastaan paksu. Korkeammissa lämpötiloissa pyramidi kasvaa korkeammaksi ja laihemmaksi. Tämä suuntaus jatkuu lämpötilan noustessa aina niin sanottuun ”absoluuttisen korkeaan” lämpötilaan asti, jolloin pyramidi muuttuu yhdeksi pylvääksi, joka ulottuu maasta äärettömän pitkälle taivasta kohti. Tässä kohtaa asiat alkavat muuttua oudoiksi.
Jos pystyt jotenkin viemään systeemin askeleen ”absoluuttista korkeinta” lämpötilaa pidemmälle, pyramidin muoto palautuu yhtäkkiä, mutta tällä kertaa se on käännetty – jokaisessa kerroksessa on nyt enemmän tiiliä kuin sen alla olevassa kerroksessa, ja äärettömän korkealla huipulla on äärettömän monta tiiltä. Nyt tulee vielä oudompi kohta – kun näin tapahtuu, ”lämpötila” yhtälössä, joka kuvaa tämän ”pyramidin” muotoa, muuttuu itse asiassa negatiiviseksi.
Jatkuvasti laajeneva ja äärettömän korkea ylösalaisin oleva pyramidi saattaa kuulostaa liian naurettavalta edes ajatella. Ditto negatiiviselle lämpötilalle, joka on jotenkin ääretöntä kuumempi. Mutta jos lakkaamme ajattelemasta hiukkasten energioita rajattomina liike-energioina, negatiivinen lämpötila on itse asiassa hyvin todellinen parametri, jota voidaan käyttää kuvaamaan muunlaisten energioiden jakautumista fysikaalisen systeemin sisällä.
”Tämä ei välttämättä ole lämpötila klassisessa merkityksessä – on olemassa ero eri tapojen välillä, joilla lämpötilaa käytetään mittaamaan systeemin ominaisuuksia”, sanoo Stefan Hilbert, fysiikan tutkija Münchenin Münchenin Ludwig-Maximilian-yliopistosta (Saksa), joka ei ole osallisena artikkelissa. ”Esimerkiksi systeemissä voi olla tämä niin sanottu ’populaatioinversio’ – jossa systeemin osia on enemmän kiihdytetyssä tilassa kuin matalamman energian tilassa.”
Muilla sanoen fysikaaliset systeemit, jotka jotenkin rajoittavat ”pyramidin” äärelliseen määrään tasoja, voivat itse asiassa olla käänteisiä. Jos haluat nähdä tämän mekanismin toiminnassa, älä katso kauemmas kuin vaatimattomaan laserosoittimeen.
Reaalimaailman sovelluksia maailmasta poikkeavalle käsitteelle
Joka kerta, kun napsautat laserosoitinta, pääset osalliseksi ”populaatioinversion” taikuudesta. Atomit ”pumpataan” alemmalta energiatasolta korkeammalle energiatasolle, ja sitten ne putoavat takaisin alaspäin säteilemällä samalla valoa.
Tänä päivänä tiedemiehet löytävät keinoja manipuloida muitakin kiihdyttäviä fysikaalisia järjestelmiä. Spin – kokonaisuus, joka määrittää atomin magneettiset ominaisuudet – on yksi kuumimmista aiheista negatiivisten lämpötilojen tutkimuksessa.
”Ennen lasereita ihmiset ajattelivat, että jos sinulla on joukko spinejä, et voi herättää yli puolta niistä, koska se on kuumin mahdollinen tila”, sanoo Kae Nemoto, tutkija Tokiossa sijaitsevasta Kansallisesta tietotekniikkainstituutista (National Institute of Informatics of Tokyo) ja yksi artikkelin kirjoittajista.
Mutta tiedemiehet ovat sittemmin osoittaneet, että tämä ei ole totta. Nemoto ja hänen kollegansa kuvaavat julkaisussaan erityisen tavan asettaa spin-systeemi siten, että osa sen populaatiosta itse asiassa suosii mahdollisimman käänteistä tilaa. Toisin sanoen, toisin kuin lasereissa, joissa atomeja on jatkuvasti ”pumpattava” korkeammalle tasolle, heidän spin-systeeminsä osat itse asiassa virtaavat ylöspäin luonnollisesti.
” Populaatio on inversiossa, mutta se ei ole oikeastaan vakaa tila. Voit populoida kiihdytetyn tilan, mutta atomit eivät pysy siellä pitkään, pitkään aikaan”, sanoo William Munro, tutkija Nippon Telegraph and Telephone Corporationista ja toinen artikkelin kirjoittaja.
Nemoto, Munro ja heidän kollegansa Yusuke Hama RIKEN Center for Emergent Matter Science -laitokselta Saitamasta Japanista havaitsivat, että jos kaksi erillistä atomitaskua, joissa on spinejä ja jotka jakavat kiinteässä lämpötilassa olevan säiliön keskenään, nämä kaksi taskua eivät välttämättä pääse loppujen lopuksi tasapainotilaan.
Kun molemmat taskut ovat samankokoisia, vaikka toisen aluksi kaikki spinit olivat korkeammassa tilassa ja toisen kaikki matalammassa tilassa, ajan mittaan molemmat taskut päätyvät keskelle, jossa puolet spinistä on korkeammassa tilassa ja puolet matalammassa.
Mutta jotain omituista tapahtuu, kun molemmat taskut ovat erikokoisia. Jos esimerkiksi taskussa A on enemmän spinejä kuin taskussa B, kun kaikki spiinit taskussa A ovat korkeammassa tilassa ja kaikki spiinit taskussa B ovat matalammassa tilassa, niin molemmat eivät rentoudu kohti matalinta mahdollista tilaa kuten laserilla. Sen sijaan kaikki taskussa B olevat spiinit virtaavat kohti korkeampaa tilaa. Toisin sanoen Tasku B on itse asiassa mieluummin mahdollisimman käänteisessä tilassa. Tämä paljastus voi ohjata tulevia pyrkimyksiä manipuloida magneettisia järjestelmiä, jotka ovat kaikkialla läsnä nykypäivän sovelluksissa.
”Ajatus negatiivisista lämpötiloista on tärkeä monien fysikaalisten systeemien kokeellisten tulosten tulkitsemisessa, erityisesti näiden spin-systeemien osalta”, sanoi Hilbert.
-Yuen Yiu, Inside Science News
