Mehet-e a hőmérséklet az abszolút nulla alá? Mi történik akkor? Kiugrik a hőmérő másik végén, mint Pac-Man és végtelenül forró lesz? Nos, valahogy úgy, és ez a furcsának tűnő koncepció valójában meglepően gyakori a fizikában.
A Physical Review Letters című folyóiratban nemrég megjelent tanulmány egy olyan rendszert ír le, ahol a negatív hőmérsékletet használják egy furcsa, de valós jelenség magyarázatára a fizikai világunkban.
A tudósok egy olyan fizikai rendszert írnak le, amely egyszerre van az “abszolút nulla” alatt és az “abszolút meleg” felett.
Image Credit: Myriams-Fotos via (CC 0)
De mielőtt megértenénk, hogyan lehet a hőmérsékletet a feje tetejére állítani, újra kell tanulnunk a hőmérséklet jelentését.
A negatív hőmérséklet forróbb, mint a forró
A legtöbb ember valószínűleg azt tanulta az iskolában, hogy a hőmérséklet alapvetően csak annak mérése, hogy egy rendszerben a részecskék milyen erősen remegnek: A magas hőmérséklet sok rázkódást jelent, az abszolút nulla pedig azt, hogy egyáltalán nem rázkódik. Bár ez az értelmezés működhet a sütőd hőmérsékletének megértéséhez, nem ez a teljes kép.
Először is, a hőmérséklet nem egyszerűen a rendszerben lévő összes részecske átlagos energiája. Valójában ezeknek az energiáknak az eloszlásával függ össze. Képzeljük el a részecskéket egy épület tégláinak, ahol az egyes téglák magassága tükrözi az egyes részecskék energiáját. Alacsony hőmérsékleten az épület egy piramishoz hasonlít, amely rövid és alul kövér. Magasabb hőmérsékleten a piramis magasabb és vékonyabb lesz. Ez a tendencia folytatódik a hőmérséklet emelkedésével, egészen az úgynevezett “abszolút magas” hőmérsékletig, ahol a piramis egyetlen oszloppá alakul át, amely a földtől a végtelenbe nyúlik fel az ég felé. Ez az a pont, ahol a dolgok kezdenek furcsává válni.
Ha valahogy egy lépéssel az “abszolút magas” hőmérséklet fölé tudod tolni a rendszert, a piramis alakja hirtelen újra megjelenik, de ezúttal megfordul – minden réteg több téglát tartalmaz, mint az alatta lévő, és a végtelenül magas csúcson végtelenül sok tégla van. Itt jön a még furcsább rész – amikor ez megtörténik, a “hőmérséklet” a “piramis” alakját leíró egyenletben valójában negatívvá válik.
Egy egyre növekvő és végtelenül magas, fejjel lefelé álló piramis talán túl nevetségesen hangzik ahhoz, hogy belegondoljunk. Dettó egy negatív hőmérséklet, amely valahogy forróbb, mint a végtelen. De ha felhagyunk azzal, hogy a részecskék energiáit határtalan mozgási energiáknak gondoljuk, akkor a negatív hőmérséklet valójában egy nagyon is valós paraméter, amely másfajta energiák eloszlásának leírására használható egy fizikai rendszerben.
“Ez nem feltétlenül a klasszikus értelemben vett hőmérséklet – van különbség a hőmérséklet különböző módjai között, amelyeket egy rendszer tulajdonságainak mérésére használnak” – mondta Stefan Hilbert, a németországi Ludwig Maximilian University of Munich fizikusa, aki nem vett részt a tanulmányban. “Például lehet olyan rendszerünk, amelyben ez az úgynevezett “populációs inverzió” van – ahol a rendszer több része van egy gerjesztett állapotban, mint egy alacsonyabb energiájú állapotban.”
Más szóval, azok a fizikai rendszerek, amelyek valamilyen módon véges számú szintre korlátozzák a “piramist”, valóban inverzek lehetnek. Ha ezt a mechanizmust működés közben szeretné látni, ne keressen tovább, mint a szerény lézermutatót.
Egy nem evilági koncepció valós alkalmazásai
Minden alkalommal, amikor egy lézermutatóra kattint, a “populációs inverzió” varázslatát használja. Az atomokat egy alacsonyabb energiaszintről egy magasabb energiaszintre “pumpálják”, majd visszaesnek, és közben fényt bocsátanak ki.
Most a tudósok más izgatható fizikai rendszerek manipulálásának módjait is felfedezik. A spin – az atom mágneses tulajdonságait meghatározó egység – a negatív hőmérsékletű kutatások legforróbb témái közé tartozik.
“A lézerek előtt az emberek azt gondolták, hogy ha van egy csomó spin, akkor nem lehet több mint a felét gerjeszteni, mert az a lehető legforróbb állapot” – mondta Kae Nemoto, a tokiói Nemzeti Informatikai Intézet kutatója, a tanulmány egyik szerzője.
A tudósok azonban azóta kimutatták, hogy ez nem igaz. Nemoto és kollégái a tanulmányukban leírnak egy speciális módszert, amellyel egy spinrendszert úgy lehet beállítani, hogy a populáció egy része valóban a lehető legjobban szereti a minél inverzebb állapotot. Más szóval, ellentétben a lézerekkel, ahol folyamatosan “pumpálni” kell az atomokat a magasabb szintre, a spinrendszerük egyes részei valójában természetes módon áramlanak felfelé.
” Van ugyan populációs inverzió, de ez nem igazán állandósult állapot. A gerjesztett állapotot benépesítheted, de az atomok nem maradnak ott hosszú-hosszú ideig” – mondta William Munro, a Nippon Telegraph and Telephone Corporation kutatója, a tanulmány másik szerzője.
Nemoto, Munro és kollégájuk, Yusuke Hama a japán Saitamában található RIKEN Center for Emergent Matter Science kutatóközpontból felfedezték, hogy ha két különálló spinnel rendelkező atom zsebe osztozik egy rögzített hőmérsékletű tárolón, a két zseb végül nem feltétlenül jut egyensúlyba.
Ha a két zseb azonos méretű, még ha az egyik úgy indult is, hogy az összes spin a magasabb, a másik pedig az összes az alacsonyabb állapotban volt, idővel mindkét zseb középre kerül, a spinek fele a magasabb, fele pedig az alacsonyabb állapotban van.
De valami különös történik, ha a két zseb különböző méretű. Például, ha az A zsebben több pörgés van, mint a B zsebben, miközben az A zsebben lévő összes pörgés a magasabb állapotban van, a B zsebben lévő összes pörgés pedig az alacsonyabb állapotban, akkor a kettő nem relaxál mindkettő a lehető legalacsonyabb állapot felé, mint a lézer esetében. Ehelyett a B zsebben lévő összes spin a magasabb állapot felé áramlik. Más szóval, a B zseb valójában a lehető leginverzebb állapotot részesíti előnyben. Ez a felfedezés irányt mutathat a jövőbeni erőfeszítéseknek a mágneses rendszerek manipulálására, amelyek mindenütt jelen vannak a modern alkalmazásokban.
“A negatív hőmérséklet gondolata fontos sok fizikai rendszer kísérleti eredményeinek értelmezéséhez, különösen az ilyen spinrendszerek esetében” – mondta Hilbert.
-Yuen Yiu, Inside Science News.
