Czy temperatura może spaść poniżej zera absolutnego? Co się wtedy dzieje? Czy wyskakuje na drugim końcu termometru jak Pac-Man i staje się nieskończenie gorąca? Cóż, tak jakby, a ta pozornie dziwaczna koncepcja jest w rzeczywistości zaskakująco powszechna w fizyce.
Ostatnia praca opublikowana w Physical Review Letters opisuje system, w którym ujemna temperatura jest używana do wyjaśnienia dziwnego, ale rzeczywistego zjawiska w naszym świecie fizycznym.
Naukowcy opisują system fizyczny, który jest jednocześnie poniżej „zera absolutnego” i powyżej „absolutnego gorąca”.
Image Credit: Myriams-Fotos via (CC 0)
Ale zanim zrozumiesz, jak temperatury mogą być odwrócone do góry nogami, będziesz musiał ponownie nauczyć się znaczenia temperatury.
Temperatura ujemna jest gorętsza niż gorąca
Większość ludzi prawdopodobnie nauczyła się w szkole, że temperatura jest w zasadzie tylko miarą tego, jak energicznie cząsteczki w układzie drżą: Wysoka temperatura oznacza wiele wstrząsów, a zero absolutne oznacza absolutnie żadnych wstrząsów. Chociaż taka interpretacja może pomóc zrozumieć temperaturę w piekarniku, to nie jest to cały obraz.
Na początek, temperatura nie jest po prostu średnią energią wszystkich cząsteczek w systemie. Jest ona w rzeczywistości związana z rozkładem tych energii. Wyobraźmy sobie cząsteczki jako cegły w budynku, gdzie wysokość każdej cegły odzwierciedla energię każdej cząsteczki. W niskich temperaturach budynek wygląda jak piramida, która jest krótka i gruba u dołu. W wyższych temperaturach, piramida staje się wyższa i chudsza. Ten trend utrzymuje się wraz ze wzrostem temperatury, aż do tak zwanej „absolutnej wysokiej” temperatury – gdzie piramida przekształca się w pojedynczą kolumnę, rozciągającą się od ziemi w nieskończoność w kierunku nieba. W tym miejscu sprawy zaczynają się dziwnie układać.
Jeśli uda ci się w jakiś sposób przesunąć system o jeden krok poza „absolutny szczyt”, kształt piramidy nagle pojawia się ponownie, ale tym razem jest odwrócony – każda warstwa zawiera teraz więcej cegieł niż ta pod nią, z nieskończenie wieloma cegłami na nieskończenie wysokim szczycie. I tu dochodzimy do jeszcze dziwniejszej części – kiedy to się dzieje, „temperatura” w równaniu opisującym kształt tej „piramidy” faktycznie staje się ujemna.
Ciągle rozszerzająca się i nieskończenie wysoka piramida odwrócona do góry nogami może wydawać się zbyt niedorzeczna, by nawet o niej pomyśleć. Ditto dla ujemnej temperatury, która jest jakoś gorętszy niż nieskończony. Ale jeśli przestaniemy myśleć o energiach cząstek jako bezgranicznych energiach kinetycznych, ujemna temperatura jest w rzeczywistości bardzo realnym parametrem, który może być użyty do opisania rozkładu innych rodzajów energii wewnątrz systemu fizycznego.
„To niekoniecznie jest temperatura w klasycznym sensie – istnieje rozróżnienie pomiędzy różnymi sposobami, w jakie temperatura jest używana do pomiaru właściwości systemu”, powiedział Stefan Hilbert, fizyk z Ludwig Maximilian University of Munich w Niemczech, który nie jest zaangażowany w pracę. „Na przykład, możesz mieć system z tak zwaną 'inwersją populacji’ – gdzie jest więcej części systemu w stanie wzbudzonym niż w stanie o niższej energii.”
Innymi słowy, systemy fizyczne, które w jakiś sposób ograniczają „piramidę” do skończonej liczby poziomów mogą być faktycznie odwrócone. Aby zobaczyć ten mechanizm w pracy, spójrz nie dalej niż na niepozorny wskaźnik laserowy.
Realne zastosowania świata dla koncepcji spoza tego świata
Za każdym razem, gdy klikasz na wskaźnik laserowy, korzystasz z magii „inwersji populacji”. Atomy są „pompowane” z niższego poziomu energetycznego na wyższy, a następnie opadają z powrotem w dół, emitując przy tym światło.
Dzisiaj naukowcy znajdują sposoby na manipulowanie innymi wzbudzonymi układami fizycznymi. Spin – jednostka, która określa właściwości magnetyczne atomu – jest jednym z najgorętszych tematów w badaniach nad ujemnymi temperaturami.
„Przed laserami ludzie myśleli, że jeśli masz kilka spinów, nie możesz wzbudzić więcej niż połowy z nich, ponieważ jest to najgorętszy możliwy stan”, powiedziała Kae Nemoto, badaczka z Narodowego Instytutu Informatyki w Tokio i autorka pracy.
Ale naukowcy wykazali, że to nieprawda. W swojej pracy Nemoto i jej koledzy opisują specyficzny sposób ustawienia systemu spinowego w taki sposób, że część jego populacji woli być tak odwrócona, jak to tylko możliwe. Innymi słowy, w przeciwieństwie do laserów, gdzie trzeba nieustannie „pompować” atomy na wyższy poziom, części ich systemu spinowego w rzeczywistości naturalnie płyną w górę.
„, istnieje inwersja populacji, ale nie jest to tak naprawdę stan ustalony. Możesz zaludnić stan wzbudzony, ale atomy nie pozostaną tam przez długi, długi czas,” powiedział William Munro, badacz z Nippon Telegraph and Telephone Corporation i inny autor pracy.
Nemoto, Munro i ich kolega Yusuke Hama z RIKEN Center for Emergent Matter Science w Saitama, Japonia, odkryli, że jeśli istnieją dwie oddzielne kieszenie atomów ze spinami dzielące zbiornik o stałej temperaturze, te dwie kieszenie niekoniecznie osiągają równowagę w końcu.
Gdy dwie kieszenie są równe w wielkości, nawet gdy jeden zaczął z wszystkich spinów w wyższym stanie, a drugi wszystko w niższym stanie, w czasie, obie kieszenie kończy się w środku, z połową spinów w wyższym stanie, a połowa w niższym.
Ale coś osobliwego dzieje się, gdy dwie kieszenie są różnych rozmiarów. Na przykład, jeśli kieszeń A zawiera więcej spinów niż kieszeń B, podczas gdy wszystkie spiny w kieszeni A są w wyższym stanie i wszystkie spiny w kieszeni B są w niższym stanie, wtedy obie nie relaksują się w kierunku najniższego możliwego stanu jak w przypadku lasera. Zamiast tego, wszystkie spiny w Kieszeni B będą płynąć w kierunku wyższego stanu. Innymi słowy, Kieszonka B woli być w najbardziej odwróconym stanie z możliwych. To odkrycie może prowadzić przyszłe wysiłki w celu manipulowania systemami magnetycznymi, które są wszechobecne we współczesnych zastosowaniach.
„Idea ujemnych temperatur jest ważna dla interpretacji wyników eksperymentalnych wielu systemów fizycznych, szczególnie dla tych systemów spinowych,” powiedział Hilbert.
-Yuen Yiu, Inside Science News
