Kan de temperatuur tot onder het absolute nulpunt dalen? Wat gebeurt er dan? Komt het er aan de andere kant van de thermometer uit als Pac-Man en wordt het oneindig heet?
Een recent artikel in Physical Review Letters beschrijft een systeem waarin negatieve temperatuur wordt gebruikt om een vreemd maar reëel fenomeen in onze fysieke wereld te verklaren.
Wetenschappers beschrijven een fysiek systeem dat tegelijkertijd onder het “absolute nulpunt” en boven het “absolute heet” is.
Image Credit: Myriams-Fotos via (CC 0)
Maar voordat u kunt begrijpen hoe temperaturen op hun kop kunnen worden gezet, moet u de betekenis van temperatuur opnieuw leren.
Negatieve temperatuur is heter dan heet
De meeste mensen hebben waarschijnlijk op school geleerd dat temperatuur in feite gewoon een meting is van hoe krachtig deeltjes in een systeem schudden: Een hoge temperatuur betekent veel schudden, en het absolute nulpunt betekent absoluut geen schudden. Hoewel deze interpretatie misschien werkt om de temperatuur in uw oven te begrijpen, is het niet het hele plaatje.
Om te beginnen is temperatuur niet simpelweg de gemiddelde energie van alle deeltjes in een systeem. Het is eigenlijk gerelateerd aan de verdeling van die energieën. Stel je deeltjes voor als bakstenen in een gebouw, waarbij de hoogte van elke baksteen de energie van elk deeltje weergeeft. Bij lage temperaturen lijkt het gebouw op een piramide die kort en dik is aan de onderkant. Bij hogere temperaturen wordt de piramide langer en magerder. Deze tendens zet zich voort naarmate de temperatuur stijgt, tot wat bekend staat als de “absoluut hoge” temperatuur – waar de piramide verandert in een enkele kolom, die zich vanaf de grond oneindig naar de hemel uitstrekt.
Als je het systeem op de een of andere manier een stap verder kunt duwen dan “absoluut hoog”, komt de piramidevorm plotseling weer tevoorschijn, maar deze keer is hij omgedraaid – elke laag bevat nu meer stenen dan de laag eronder, met oneindig veel stenen aan de oneindig hoge top. Hier komt het nog vreemdere deel – wanneer dit gebeurt, wordt de “temperatuur” in de vergelijking die de vorm van deze “piramide” beschrijft in feite negatief.
Een steeds groter wordende en oneindig hoge omgekeerde piramide klinkt misschien te belachelijk om zelfs maar over na te denken. Hetzelfde geldt voor een negatieve temperatuur die op de een of andere manier heter is dan oneindig. Maar als we ophouden te denken aan de energieën van de deeltjes als grenzeloze kinetische energieën, is negatieve temperatuur eigenlijk een heel reële parameter die kan worden gebruikt om de verdeling van andere soorten energieën binnen een fysisch systeem te beschrijven.
“Dit is niet noodzakelijk de temperatuur in de klassieke zin – er is een onderscheid tussen de verschillende manieren waarop temperatuur wordt gebruikt om de eigenschappen van een systeem te meten,” zei Stefan Hilbert, een natuurkundige van de Ludwig Maximilian Universiteit van München in Duitsland die niet bij het artikel betrokken was. “Je kunt bijvoorbeeld een systeem hebben met deze zogenaamde ‘populatie-inversie’ – waar er meer delen van het systeem in een aangeslagen toestand zijn dan in een lagere energietoestand.”
Met andere woorden, fysische systemen die op de een of andere manier de ‘piramide’ beperken tot een eindig aantal niveaus, kunnen in feite worden omgekeerd. Om dit mechanisme aan het werk te zien, hoeft u niet verder te kijken dan de onopvallende laserpointer.
Reële wereldtoepassingen voor een concept dat niet van deze wereld is
Telkens wanneer u op een laserpointer klikt, maakt u gebruik van de magie van “populatie-inversie”. Atomen worden van een lager energieniveau naar een hoger energieniveau “gepompt” en vallen dan terug naar beneden, waarbij ze licht uitstralen.
Wetenschappers zoeken tegenwoordig naar manieren om andere prikkelbare fysische systemen te manipuleren. Spin – de entiteit die de magnetische eigenschappen van een atoom bepaalt – is een van de heetste onderwerpen in het onderzoek naar negatieve temperaturen.
“Vóór lasers dachten de mensen dat als je een stel spins hebt, je niet meer dan de helft ervan kunt exciteren omdat dat de heetst mogelijke toestand is,” zei Kae Nemoto, een onderzoeker van het National Institute of Informatics in Tokio en een auteur van het artikel.
Maar wetenschappers hebben sindsdien aangetoond dat dat niet waar is. In hun artikel beschrijven Nemoto en haar collega’s een specifieke manier om een spinsysteem zo op te zetten dat een deel van zijn populatie er eigenlijk de voorkeur aan geeft zo omgekeerd mogelijk te zijn. Met andere woorden, in tegenstelling tot lasers, waar je voortdurend atomen naar een hoger niveau moet “pompen”, stromen delen van hun spinsysteem eigenlijk op natuurlijke wijze omhoog.
“, er is een populatie-inversie, maar het is niet echt een constante toestand. Je kunt de aangeslagen toestand bevolken, maar de atomen blijven daar niet voor een lange, lange tijd,” zei William Munro, een onderzoeker van de Nippon Telegraph and Telephone Corporation en een andere auteur van het artikel.
Nemoto, Munro, en hun collega Yusuke Hama van het RIKEN Center for Emergent Matter Science in Saitama, Japan, ontdekten dat als er twee afzonderlijke zakken van atomen met spins zijn die een reservoir met een vaste temperatuur delen, de twee zakken uiteindelijk niet noodzakelijkerwijs een evenwicht bereiken.
Wanneer de twee zakken even groot zijn, zelfs wanneer de ene begon met alle spins in de hogere toestand, en de andere met alle spins in de lagere toestand, eindigen beide zakken na verloop van tijd in het midden, met de helft van de spins in de hogere toestand, en de andere helft in de lagere.
Maar er gebeurt iets eigenaardigs als de twee pockets van verschillende grootte zijn. Bijvoorbeeld, als Zak A meer spins bevat dan Zak B, terwijl alle spins in Zak A in de hogere toestand zijn en alle spins in Zak B in de lagere toestand zijn, dan ontspannen de twee zich niet naar de laagst mogelijke toestand zoals bij een laser. In plaats daarvan zouden alle spins in zak B naar de hogere toestand gaan. Met andere woorden, Zak B verkiest eigenlijk om in de meest omgekeerde toestand te zijn. Deze openbaring kan een leidraad zijn voor toekomstige inspanningen om de magnetische systemen te manipuleren die alomtegenwoordig zijn in moderne toepassingen.
“Het idee van negatieve temperaturen is belangrijk voor het interpreteren van de experimentele resultaten van veel fysische systemen, vooral voor deze spinsystemen,” zei Hilbert.
-Yuen Yiu, Inside Science News
