温度は絶対零度を下回ることができるのか？ そのときはどうなるのでしょうか？ パックマンのように温度計の反対側に飛び出して、無限に熱くなるのでしょうか？
Scientists describe a physical system that is both below “absolute zero” and above “absolute hot” at the same time.そのような、一見奇妙に見える概念は、実は物理学では驚くほどよくあることです。
Image Credit: Myriams-Fotos via (CC 0)
But before you can understand how temperature is turned upside down, you’ll need to relearn the meaning of temperature.
Negative temperature is hot than hot
Most people probably learned in school that temperature is basically just a measurement of how vigorously particles in a system shake: 温度が高いということは、たくさん揺れているということであり、絶対零度というのは全く揺れていないことを意味します。 この解釈はオーブンの温度を理解するには有効かもしれませんが、全体像ではありません。
まず第一に、温度は単純にシステム内のすべての粒子の平均エネルギーではありません。 温度は、システム内のすべての粒子の平均的なエネルギーではなく、それらのエネルギーの分布に関係しているのです。 粒子を建物のレンガに見立て、それぞれのレンガの高さが各粒子のエネルギーを反映していると考えてみてください。 低温では、建物はピラミッドのような形をしていて、底が低く、太っています。 温度が高くなると、ピラミッドの高さは高くなり、やせ細ります。 さらに温度が上がると、ピラミッドは地面から空に向かって無限に伸びる1本の柱に変化する「絶対温度」と呼ばれる状態になる。 しかし今度は、各層がその下の層よりも多くのレンガを含み、無限に高い頂上には無限に多くのレンガがある、というように反転します。 このとき、この「ピラミッド」の形状を表す方程式の「温度」は、実際に負になります。
無限に拡大する逆さピラミッドというのは、考えるのもばかばかしいかもしれません。 無限より熱い負の温度も同様である。 しかし、粒子のエネルギーを無限の運動エネルギーと考えるのをやめれば、負の温度は、実際には、物理システム内の他の種類のエネルギーの分布を記述するために使用できる、非常に現実的なパラメーターです」
この論文には参加していない、ドイツのルートヴィヒ・マキシミリアン大学の物理学者、Stefan Hilbert氏は、「これは必ずしも古典的な意味での温度ではなく、温度がシステムの特性を測定するのに使われる異なる方法には区別があります。 例えば、いわゆる「ポピュレーション・インバージョン」（低エネルギー状態よりも励起状態の方が多い状態）を持つ系があり得ます。
言い換えれば、「ピラミッド」を有限個のレベルに制限する物理系は、実際には反転し得るのです。
レーザーポインターをクリックするたびに、「ポピュレーション・インバージョン」の魔法にかかるのです。 原子は低いエネルギー準位から高いエネルギー準位に「ポンピング」され、その後、光を放ちながら下がっていきます。
今日、科学者は、他の興奮する物理系を操作する方法を発見しています。 レーザー以前は、たくさんのスピンがあれば、その半分以上は励起できないと考えられていました。なぜなら、それが最も熱い状態だからです」と、国立情報学研究所（東京）の研究者で、この論文の著者である根本佳恵氏は言います。 根本教授らはこの論文の中で、スピン系の集団の一部が、実際にはできるだけ反転していることを好むようにスピン系を設定する具体的な方法について述べている。 言い換えれば、原子を常に高いレベルに「送り込む」必要があるレーザーとは異なり、彼らのスピン系の一部は、実際には自然に上方に流れているのです。
」とあるように、集団反転はありますが、それは実際には定常状態ではないのです。 日本電信電話株式会社の研究員で、この論文のもうひとりの著者であるウィリアム・マンロー氏は、「励起状態を作り出すことはできますが、原子が長い間そこにとどまることはありません」と述べています。
根本氏とマンロー氏、および理研創発科学研究センターの浜祐介氏は、一定の温度を持つ貯水池に、スピンを持つ原子の別々のポケットが2つあると、その2つは必ずしも最後に平衡状態にならないことを突き止めました。
2つのポケットの大きさが等しい場合、一方はスピンがすべて高い状態にあり、もう一方はすべて低い状態にある状態でスタートしても、時間が経つと、両方のポケットは、スピンの半分が高い状態にあり、半分は低い状態にある、真ん中の状態になるのだそうです。
しかし、2つのポケットの大きさが異なると、奇妙なことが起こる。 例えば、ポケットAの方がポケットBよりもスピンが多い場合、ポケットAのスピンはすべて高い状態にあり、ポケットBのスピンはすべて低い状態にあるが、レーザーのように両者が最低の状態に向かって緩和することはない。 その代わり、ポケットBのスピンはすべて高い状態に向かって流れる。 つまり、ポケットBは最も反転した状態を好むのである。 この発見は、現代のアプリケーションでいたるところにある磁気系を操作するための今後の取り組みの指針となります。
「負の温度という考え方は、多くの物理系、特にこれらのスピン系の実験結果を解釈する上で重要です」と、Hilbert氏は述べています。
