Kan temperaturen sjunka under den absoluta nollpunkten? Vad händer då? Hoppar den ut i andra änden av termometern likt Pac-Man och blir oändligt varm? Tja, typ av, och det till synes knasiga konceptet är faktiskt förvånansvärt vanligt inom fysiken.
En nyligen publicerad artikel i Physical Review Letters beskriver ett system där negativ temperatur används för att förklara ett konstigt men verkligt fenomen i vår fysiska värld.
Vetenskapsmännen beskriver ett fysikaliskt system som både ligger under den absoluta nollpunkten och ovanför den absoluta hettan på samma gång.
Bildkredit: Myriams-Fotos via (CC 0)
Men innan du kan förstå hur temperaturer kan vändas upp och ner måste du lära dig betydelsen av temperatur.
Negativ temperatur är hetare än het
De flesta lärde sig förmodligen i skolan att temperatur i princip bara är ett mått på hur kraftigt partiklar i ett system skakar: En hög temperatur innebär mycket skakningar och absolut noll innebär absolut inga skakningar. Även om denna tolkning kan fungera för att förstå temperaturen i din ugn är den inte hela bilden.
För det första är temperatur inte bara den genomsnittliga energin för alla partiklar i ett system. Den är faktiskt relaterad till fördelningen av dessa energier. Föreställ dig partiklar som tegelstenar i en byggnad, där höjden på varje tegelsten återspeglar varje partikels energi. Vid låga temperaturer liknar byggnaden en pyramid som är kort och tjock i botten. Vid högre temperaturer blir pyramiden längre och smalare. Denna trend fortsätter när temperaturen stiger, upp till vad som kallas den ”absolut höga” temperaturen – där pyramiden förvandlas till en enda pelare som sträcker sig från marken oändligt upp mot himlen. Det är här som det börjar bli konstigt.
Om man på något sätt kan driva systemet ett steg längre än till ”absolut hög”, så återuppstår plötsligt pyramidformen, men den här gången är den omvänd – varje lager innehåller nu fler tegelstenar än det underliggande, med oändligt många tegelstenar på den oändligt höga toppen. Nu kommer det ännu konstigare – när detta händer blir ”temperaturen” i ekvationen som beskriver formen på denna ”pyramid” faktiskt negativ.
En ständigt expanderande och oändligt hög uppochnedvänd pyramid kanske låter för löjlig för att ens tänka på. Ditto för en negativ temperatur som på något sätt är varmare än oändligt. Men om vi slutar tänka på partiklarnas energier som gränslösa kinetiska energier är negativ temperatur faktiskt en mycket verklig parameter som kan användas för att beskriva fördelningen av andra typer av energier i ett fysiskt system.
”Det här är inte nödvändigtvis temperaturen i klassisk bemärkelse – det finns en distinktion mellan de olika sätt på vilka temperaturen används för att mäta egenskaperna hos ett system”, säger Stefan Hilbert, fysiker vid Ludwig Maximilian-universitetet i München i Tyskland, som inte är inblandad i artikeln. ”Man kan till exempel ha ett system med en så kallad ’populationsinversion’ – där det finns fler delar av systemet i ett exciterat tillstånd än i ett lägre energitillstånd.”
Med andra ord kan fysiska system som på något sätt begränsar ”pyramiden” till ett begränsat antal nivåer faktiskt vara inverterade. För att se hur denna mekanism fungerar behöver man bara titta på den anspråkslösa laserpekaren.
Användningar i den verkliga världen för ett koncept som inte finns i den här världen
Varje gång du klickar på en laserpekare använder du dig av magin i form av ”populationsomvändning”. Atomer ”pumpas” från en lägre energinivå till en högre energinivå, och sedan faller de ner igen och avger ljus under processen.
I dag hittar forskarna sätt att manipulera andra exciterbara fysiska system. Spin – den enhet som bestämmer de magnetiska egenskaperna hos en atom – är ett av de hetaste ämnena inom forskningen om negativa temperaturer.
”Före lasrar trodde folk att om man har ett gäng spins kan man inte excitera mer än hälften av dem, eftersom det är det hetaste möjliga tillståndet”, säger Kae Nemoto, forskare vid National Institute of Informatics i Tokyo och en av författarna till artikeln.
Men forskare har sedan dess visat att det inte är sant. I sin artikel beskriver Nemoto och hennes kollegor ett specifikt sätt att sätta upp ett spinsystem så att en del av dess population faktiskt föredrar att vara så inverterad som möjligt. Med andra ord, till skillnad från lasrar, där man ständigt måste ”pumpa” atomer till den högre nivån, flödar delar av deras spinsystem faktiskt uppåt på ett naturligt sätt.
”, det finns en inverterad population, men det är inte riktigt ett stabilt tillstånd. Man kan befolka det exciterade tillståndet, men atomerna kommer inte att stanna där under lång, lång tid”, säger William Munro, forskare vid Nippon Telegraph and Telephone Corporation och en annan författare till artikeln.
Nemoto, Munro och deras kollega Yusuke Hama från RIKEN Center for Emergent Matter Science i Saitama, Japan, upptäckte att om det finns två separata fickor med atomer med spinn som delar på en reservoar med fast temperatur, så uppnår de två fickorna inte nödvändigtvis en jämvikt till slut.
När de två fickorna är lika stora, även om den ena började med alla spinn i det högre tillståndet och den andra med alla spinn i det lägre tillståndet, hamnar båda fickorna med tiden i mitten, med hälften av spinnen i det högre tillståndet och hälften i det lägre.
Men något märkligt händer när de två fickorna är olika stora. Om till exempel ficka A innehåller fler snurror än ficka B, medan alla snurror i ficka A är i det högre tillståndet och alla snurror i ficka B är i det lägre tillståndet, så slappnar inte båda två av mot det lägsta möjliga tillståndet som en laser. Istället skulle alla spinn i ficka B strömma mot det högre tillståndet. Med andra ord föredrar Pocket B faktiskt att befinna sig i det mest inverterade tillståndet som är möjligt. Detta avslöjande kan vägleda framtida försök att manipulera de magnetiska system som är allestädes närvarande i moderna tillämpningar.
”Idén om negativa temperaturer är viktig för att tolka experimentella resultat för många fysiska system, särskilt för dessa spinsystem”, säger Hilbert.
-Yuen Yiu, Inside Science News.
