Der absolute Nullpunkt wird oft als die kälteste Temperatur angesehen, die möglich ist. Doch jetzt zeigen Forscher, dass sie sogar noch niedrigere Temperaturen erreichen können, und zwar in einem seltsamen Bereich „negativer Temperaturen“.
Eine andere Art, diese negativen Temperaturen zu betrachten, ist, sie als heißer als unendlich zu betrachten, fügen die Forscher hinzu.
Dieser ungewöhnliche Fortschritt könnte zu neuen Motoren führen, die technisch gesehen zu mehr als 100 Prozent effizient sein könnten, und Licht in Geheimnisse wie die dunkle Energie bringen, die mysteriöse Substanz, die offenbar unser Universum auseinander zieht.
Die Temperatur eines Objekts ist ein Maß dafür, wie sehr sich seine Atome bewegen – je kälter ein Objekt ist, desto langsamer sind die Atome. Bei der physikalisch unmöglich zu erreichenden Temperatur von null Kelvin, oder minus 459,67 Grad Fahrenheit (minus 273,15 Grad Celsius), würden sich die Atome nicht mehr bewegen. Daher kann nichts kälter als der absolute Nullpunkt auf der Kelvin-Skala sein.
Bizarro-Negativtemperaturen
Um die Negativtemperaturen zu verstehen, die Wissenschaftler jetzt entwickelt haben, kann man sich die Temperatur als eine Skala vorstellen, die eigentlich eine Schleife und nicht linear ist. Positive Temperaturen bilden einen Teil der Schleife, während negative Temperaturen den anderen Teil ausmachen. Wenn die Temperaturen im positiven Bereich dieser Skala entweder unter Null oder über Unendlich gehen, enden sie im negativen Bereich.
Bei positiven Temperaturen nehmen die Atome eher Zustände mit niedriger als mit hoher Energie ein, ein Muster, das in der Physik als Boltzmann-Verteilung bekannt ist. Wenn ein Objekt erhitzt wird, können seine Atome höhere Energieniveaus erreichen.
Am absoluten Nullpunkt würden die Atome den niedrigsten Energiezustand einnehmen. Bei einer unendlichen Temperatur würden die Atome alle Energiezustände einnehmen. Negative Temperaturen sind also das Gegenteil von positiven Temperaturen – Atome nehmen eher hochenergetische als niederenergetische Zustände ein.
„Die umgekehrte Boltzmann-Verteilung ist das Kennzeichen der negativen absoluten Temperatur, und genau das haben wir erreicht“, sagt der Forscher Ulrich Schneider, Physiker an der Universität München in Deutschland. „Dennoch ist das Gas nicht kälter als null Kelvin, sondern heißer. Es ist sogar heißer als bei jeder positiven Temperatur – die Temperaturskala endet einfach nicht im Unendlichen, sondern springt zu negativen Werten.“
Wie zu erwarten, verhalten sich Objekte mit negativen Temperaturen auf sehr seltsame Weise. So fließt die Energie typischerweise von Objekten mit höherer positiver Temperatur zu solchen mit niedrigerer positiver Temperatur – das heißt, heißere Objekte erhitzen kühlere Objekte und kältere Objekte kühlen heißere ab, bis sie eine gemeinsame Temperatur erreichen. Energie fließt jedoch immer von Objekten mit negativer Temperatur zu Objekten mit positiver Temperatur. In diesem Sinne sind Objekte mit negativer Temperatur immer heißer als solche mit positiver Temperatur.
Eine weitere merkwürdige Konsequenz negativer Temperaturen hat mit der Entropie zu tun, die ein Maß für die Unordnung in einem System ist. Wenn Objekte mit positiver Temperatur Energie freisetzen, erhöhen sie die Entropie der sie umgebenden Dinge, so dass diese sich chaotischer verhalten. Wenn jedoch Objekte mit negativer Temperatur Energie abgeben, können sie tatsächlich Entropie absorbieren.
Negative Temperaturen würden für unmöglich gehalten, da es nach der derzeitigen Theorie keine Obergrenze dafür gibt, wie viel Energie Atome haben können. (Es gibt eine Grenze für die Geschwindigkeit, mit der sie sich fortbewegen können – nach Einsteins Relativitätstheorie kann nichts schneller als das Licht beschleunigt werden.)
Verrücktes Physikexperiment
Um negative Temperaturen zu erzeugen, haben Wissenschaftler ein System geschaffen, in dem Atome eine Grenze für die Energie haben, die sie besitzen können. Zunächst kühlten sie etwa 100.000 Atome auf eine positive Temperatur von einigen Nanokelvin, also einem Milliardstel Kelvin. Sie kühlten die Atome in einer Vakuumkammer, die sie von jeglichen Umwelteinflüssen abschirmte, die sie möglicherweise unbeabsichtigt erhitzen könnten. Mit Hilfe eines Netzes von Laserstrahlen und Magnetfeldern konnten sie das Verhalten der Atome sehr genau steuern und sie so in einen neuen Temperaturbereich bringen.
„Die Temperaturen, die wir erreicht haben, liegen im negativen Nanokelvin-Bereich“, so Schneider gegenüber LiveScience.
Die Temperatur hängt davon ab, wie viel sich die Atome bewegen – wie viel kinetische Energie sie haben. Das Netz aus Laserstrahlen schuf eine perfekt geordnete Anordnung von Millionen heller Lichtpunkte, und in diesem „optischen Gitter“ konnten sich die Atome zwar noch bewegen, aber ihre kinetische Energie war begrenzt.
Die Temperatur hängt auch davon ab, wie viel potenzielle Energie die Atome haben und wie viel Energie in den Wechselwirkungen zwischen den Atomen steckt. Die Forscher nutzten das optische Gitter, um die potenzielle Energie der Atome zu begrenzen, und setzten Magnetfelder ein, um die Wechselwirkungen zwischen den Atomen sehr fein zu steuern, so dass sie entweder anziehend oder abstoßend wirken.
Die Temperatur hängt mit dem Druck zusammen – je heißer etwas ist, desto mehr dehnt es sich nach außen aus, und je kälter etwas ist, desto mehr zieht es sich nach innen zusammen. Um sicherzustellen, dass dieses Gas eine negative Temperatur hat, mussten die Forscher ihm auch einen negativen Druck geben, indem sie an den Wechselwirkungen zwischen den Atomen herumspielten, bis sie sich gegenseitig mehr anzogen als abstießen.
„Wir haben den ersten negativen absoluten Temperaturzustand für sich bewegende Teilchen geschaffen“, sagt Forscher Simon Braun von der Universität München in Deutschland.
Neue Arten von Motoren
Negative Temperaturen könnten genutzt werden, um Wärmemotoren – Motoren, die Wärmeenergie in mechanische Arbeit umwandeln, wie z. B. Verbrennungsmotoren – zu schaffen, die einen Wirkungsgrad von mehr als 100 Prozent haben, was scheinbar unmöglich ist. Solche Motoren würden im Wesentlichen nicht nur Energie von heißeren, sondern auch von kälteren Substanzen aufnehmen. So könnte die Arbeit, die der Motor verrichtet, größer sein als die Energie, die allein aus der heißeren Substanz entnommen wird.
Negative Temperaturen könnten auch dazu beitragen, Licht in eines der größten Rätsel der Wissenschaft zu bringen. Wissenschaftler hatten erwartet, dass die Anziehungskraft der Materie die Ausdehnung des Universums nach dem Urknall verlangsamen und schließlich zum Stillstand bringen oder sogar umkehren würde, um einen „Big Crunch“ zu verursachen. Die Expansion des Universums scheint sich jedoch zu beschleunigen, ein beschleunigtes Wachstum, das Kosmologen auf die dunkle Energie zurückführen, eine noch unbekannte Substanz, die mehr als 70 Prozent des Kosmos ausmachen könnte.
Gleichermaßen sollte der Unterdruck des kalten Gases, das die Forscher erzeugten, es zum Kollaps bringen. Die negative Temperatur hält es jedoch davon ab, dies zu tun. Negative Temperaturen könnten daher interessante Parallelen zur dunklen Energie aufweisen, die den Wissenschaftlern helfen könnten, dieses Rätsel zu verstehen.
Negative Temperaturen könnten auch Licht auf exotische Materiezustände werfen und Systeme hervorbringen, die ohne sie normalerweise nicht stabil wären. „Ein besseres Verständnis der Temperatur könnte zu neuen Dingen führen, an die wir noch gar nicht gedacht haben“, sagte Schneider. „Wenn man die Grundlagen sehr gründlich studiert, weiß man nie, wo sie enden könnten.“
Die Wissenschaftler haben ihre Ergebnisse in der Ausgabe vom 4. Januar der Zeitschrift Science ausführlich beschrieben.
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