Az abszolút nulláról gyakran azt gondolják, hogy a lehető leghidegebb hőmérséklet. Most azonban a kutatók megmutatták, hogy még alacsonyabb hőmérsékleteket is el tudnak érni a “negatív hőmérsékletek” különös birodalmában.”
Egy másik módja annak, hogy ezeket a negatív hőmérsékleteket a végtelennél is forróbbnak tekintsük, tették hozzá a kutatók.
Ez a szokatlan előrelépés olyan új motorokhoz vezethet, amelyek technikailag több mint 100 százalékos hatékonyságúak lehetnek, és fényt deríthetnek olyan rejtélyekre, mint a sötét energia, a titokzatos anyag, amely a jelek szerint széthúzza a világegyetemünket.
A tárgy hőmérséklete azt méri, hogy az atomjai mennyire mozognak – minél hidegebb egy tárgy, annál lassabban mozognak az atomok. A fizikailag elérhetetlen nulla kelvin, azaz mínusz 459,67 Fahrenheit-fok (mínusz 273,15 Celsius-fok) hőmérsékleten az atomok megállnának. Mint ilyen, a Kelvin-skálán semmi sem lehet hidegebb az abszolút nullánál.
Bizarro negatív hőmérsékletek
A tudósok által mostanra kitalált negatív hőmérsékletek megértéséhez úgy gondolhatunk a hőmérsékletre, hogy az egy olyan skálán létezik, amely valójában egy hurok, nem pedig lineáris. A pozitív hőmérsékletek alkotják a hurok egyik részét, míg a negatív hőmérsékletek a másik részét. Amikor a hőmérséklet a skála pozitív tartományában a nulla alá vagy a végtelen fölé megy, akkor a negatív tartományba kerül.
Pozitív hőmérséklet esetén az atomok nagyobb valószínűséggel foglalnak el alacsony energiájú állapotokat, mint magas energiájúakat, ezt a mintát a fizikában Boltzmann-eloszlásnak nevezik. Ha egy tárgyat felmelegítünk, az atomjai magasabb energiaszinteket érhetnek el.
Az abszolút nullponton az atomok a legalacsonyabb energiájú állapotot foglalnák el. Végtelen hőmérsékleten az atomok minden energiaállapotot elfoglalnának. A negatív hőmérséklet tehát a pozitív hőmérséklet ellentéte – az atomok nagyobb valószínűséggel foglalnak el magas energiájú állapotokat, mint alacsony energiájúakat.
“A fordított Boltzmann-eloszlás a negatív abszolút hőmérséklet jellemzője, és ez az, amit elértünk” – mondta Ulrich Schneider kutató, a németországi Müncheni Egyetem fizikusa. “Pedig a gáz nem hidegebb, mint nulla kelvin, hanem melegebb. Sőt, forróbb, mint bármely pozitív hőmérsékleten – a hőmérsékleti skála egyszerűen nem ér véget a végtelenben, hanem helyette negatív értékekre ugrik.”
Amint az várható volt, a negatív hőmérsékletű tárgyak nagyon furcsán viselkednek. Például az energia jellemzően a magasabb pozitív hőmérsékletű objektumokból áramlik az alacsonyabb pozitív hőmérsékletűek felé – vagyis a melegebb objektumok felmelegítik a hidegebb objektumokat, a hidegebb objektumok pedig lehűtik a melegebbeket, amíg el nem érnek egy közös hőmérsékletet. Az energia azonban mindig a negatív hőmérsékletű tárgyakból áramlik a pozitív hőmérsékletűek felé. Ebben az értelemben a negatív hőmérsékletű objektumok mindig melegebbek, mint a pozitív hőmérsékletűek.
A negatív hőmérséklet másik furcsa következménye az entrópiához kapcsolódik, amely egy rendszer rendezetlenségének mértékegysége. Amikor a pozitív hőmérsékletű objektumok energiát szabadítanak fel, növelik a körülöttük lévő dolgok entrópiáját, így azok kaotikusabban viselkednek. Amikor azonban a negatív hőmérsékletű objektumok energiát szabadítanak fel, akkor valójában entrópiát nyelhetnek el.
A negatív hőmérsékletet lehetetlennek gondolnánk, mivel az elmélet jelenlegi állása szerint jellemzően nincs felső határa annak, hogy az atomok mennyi energiával rendelkezhetnek. (Annak van határa, hogy milyen sebességgel haladhatnak – Einstein relativitáselmélete szerint semmi sem gyorsulhat a fénynél nagyobb sebességre.)
Hóbortos fizikai kísérlet
A negatív hőmérséklet létrehozásához a tudósok olyan rendszert hoztak létre, amelyben az atomoknak valóban van határa, hogy mennyi energiával rendelkezhetnek. Először lehűtöttek körülbelül 100 000 atomot néhány nanokelvin, azaz a kelvin milliárdod részének megfelelő pozitív hőmérsékletre. Az atomokat egy vákuumkamrában hűtötték, amely elszigetelte őket minden olyan környezeti hatástól, amely véletlenül felmelegíthetné őket. Emellett lézersugarak és mágneses mezők hálóját használták arra, hogy nagyon pontosan szabályozzák ezeknek az atomoknak a viselkedését, ezzel segítve őket egy új hőmérsékleti tartományba terelni.
“Az általunk elért hőmérséklet negatív nanokelvin” – mondta Schneider a LiveScience-nek.”
A hőmérséklet attól függ, hogy az atomok mennyit mozognak – mennyi mozgási energiával rendelkeznek. A lézersugarak hálója fényes fénypontok millióinak tökéletesen rendezett tömbjét hozta létre, és ebben az “optikai rácsban” az atomok még mozoghattak, de mozgási energiájuk korlátozott volt.”
A hőmérséklet attól is függ, hogy mennyi potenciális energiával rendelkeznek az atomok, és mennyi energia rejlik az atomok közötti kölcsönhatásokban. A kutatók az optikai rácsot arra használták, hogy korlátozzák, mennyi potenciális energiával rendelkeznek az atomok, és mágneses mezőkkel nagyon finoman szabályozták az atomok közötti kölcsönhatásokat, vonzóvá vagy taszítóvá téve azokat.
A hőmérséklet összefügg a nyomással – minél melegebb valami, annál jobban tágul kifelé, és minél hidegebb valami, annál jobban összehúzódik befelé. Ahhoz, hogy ez a gáz negatív hőmérsékletű legyen, a kutatóknak negatív nyomást is kellett biztosítaniuk, és addig babráltak az atomok közötti kölcsönhatásokkal, amíg azok jobban vonzották egymást, mint amennyire taszították egymást.
“Megteremtettük az első negatív abszolút hőmérsékleti állapotot a mozgó részecskék számára” – mondta Simon Braun, a németországi Müncheni Egyetem kutatója.
Újfajta motorok
A negatív hőmérsékletet fel lehetne használni olyan hőmotorok – a hőenergiát mechanikai munkává alakító motorok, például belsőégésű motorok – létrehozására, amelyek több mint 100 százalékos hatásfokúak, ami látszólag lehetetlen. Az ilyen motorok lényegében nemcsak a forróbb, hanem a hidegebb anyagokból is energiát vennének fel. Így a motor által elvégzett munka nagyobb lehetne, mint a forróbb anyagból önmagában elvett energia.
A negatív hőmérséklet segíthet megvilágítani a tudomány egyik legnagyobb rejtélyét is. A tudósok arra számítottak, hogy az anyag gravitációs vonzása lelassítja a világegyetem tágulását az ősrobbanás után, és végül megállítja, vagy akár meg is fordítja azt egy “Nagy Roppanáshoz”. A jelek szerint azonban az univerzum tágulása felgyorsul, a kozmológusok szerint a gyorsuló növekedés a sötét energiának köszönhető, egy eddig ismeretlen anyagnak, amely a kozmosz több mint 70 százalékát alkothatja.
A kutatók által létrehozott hideg gáz negatív nyomásának ugyanígy össze kellene omlasztania azt. A negatív hőmérséklete azonban megakadályozza ezt. Mint ilyen, a negatív hőmérséklet érdekes párhuzamokat mutathat a sötét energiával, ami segíthet a tudósoknak megérteni ezt a rejtélyt.
A negatív hőmérséklet az anyag egzotikus állapotaira is fényt deríthet, olyan rendszereket hozva létre, amelyek normális esetben enélkül nem lennének stabilak. “A hőmérséklet jobb megértése olyan új dolgokhoz vezethet, amelyekre még nem is gondoltunk” – mondta Schneider. “Ha nagyon alaposan tanulmányozzuk az alapokat, sosem tudhatjuk, hol érhet véget.”
A tudósok a Science című folyóirat január 4-i számában részletezték eredményeiket.
Kövesse a LiveScience-t a Twitteren @livescience. A Facebookon is & Google+.