絶対零度は、最も冷たい温度であるとしばしば考えられています。
奇妙なことに、これらの負の温度を見る別の方法は、無限より熱いと考えることであると、研究者は付け加えました。
この珍しい進歩は、技術的に100%以上の効率を持つ新しいエンジンにつながり、明らかに我々の宇宙を引き離している謎の物質であるダークエネルギーなどの謎に光を当てることができるかもしれません。 物理的に到達不可能な温度であるゼロケルビン、すなわち華氏マイナス459.67度（摂氏マイナス273.15度）では、原子の動きが止まってしまいます。
ビザロの負の温度
科学者が現在考案している負の温度を理解するために、温度は直線ではなく、実際にはループであるスケール上に存在すると考えることができます。 正の温度はループの一部を構成し、負の温度はもう一方の一部を構成しています。 このスケールの正の領域で温度がゼロ以下または無限大以上になると、負の領域で終わる。
正の温度では、原子は高エネルギー状態よりも低エネルギー状態を占めることが多く、これは物理学でボルツマン分布として知られているパターンである。
物体が加熱されると、その原子はより高いエネルギー レベルに到達することができます。
絶対零度では、原子は最も低いエネルギー状態を占め、無限大の温度では、原子はすべてのエネルギー状態を占めます。
「ボルツマン分布の反転は、負の絶対温度の特徴であり、これが私たちが達成したものです」と、ドイツ・ミュンヘン大学の物理学者であるウルリッヒ シュナイダー研究員は語ります。 「しかし、このガスはゼロケルビンより冷たいのではなく、もっと熱いのです。 温度スケールは単に無限大で終わらず、負の値にジャンプしているのです」
予想されるように、負の温度を持つ物体は非常に奇妙な振る舞いをします。 つまり、高温の物体は低温の物体を加熱し、低温の物体は高温の物体を冷却し、共通の温度に達するまで冷却します。 しかし、エネルギーは常に負の温度のものから正の温度のものへと流れる。
負の温度のもうひとつの奇妙な結果は、システムがいかに無秩序であるかを示す尺度であるエントロピーと関係があります。
負の温度のもうひとつの奇妙な結果は、エントロピーと関係があります。
負の温度を持つ物体がエネルギーを放出すると、実際にエントロピーを吸収することができます。
現在理論が示唆している限り、原子が持つことのできるエネルギーの上限は通常存在しないため、負の温度は不可能だと考えられています。 (アインシュタインの相対性理論によれば、光よりも速く加速できるものはありません。)
おかしな物理学実験
負の温度を作り出すために、科学者は原子が持つことができるエネルギー量に制限があるシステムを作りました。 まず、約10万個の原子を数ナノケルビン（10億分の1ケルビン）の正の温度まで冷やしました。 このとき、原子は真空容器内で冷却され、誤って加熱される可能性のある環境の影響から隔離された。 さらに、レーザー光線と磁場を用いて原子の挙動を精密に制御し、新たな温度領域へ原子を押し出すことに成功した。
「私たちが達成した温度は、負のナノケルビンです」と、シュナイダー氏はLiveScienceに語りました。
温度は、原子がどれくらいの位置エネルギーを持つか、また、原子間の相互作用にどれくらいのエネルギーがあるかにも依存します。
温度は、原子がどれだけの位置エネルギーを持つか、また、原子間の相互作用にどれだけのエネルギーが存在するかに依存します。研究者は光学格子を使用して原子の位置エネルギーを制限し、磁場を使用して原子間の相互作用を非常に細かく制御して、それらを引力または斥力にしました。
このガスが負の温度であることを確認するために、研究者は負の圧力も与えなければならず、原子が互いに反発するよりも引き合うまで原子間の相互作用をいじりました。
新しい種類のエンジン
負の温度は、熱エンジン（燃焼エンジンのような、熱エネルギーを機械的な仕事に変換するエンジン）を作るために使われるかもしれませんが、それは100パーセント以上の効率を持ち、一見不可能なことのように見えます。 このようなエンジンは、基本的に高温の物質からエネルギーを吸収するだけでなく、低温の物質からもエネルギーを吸収することになります。
マイナス温度は、科学における最大の謎の 1 つに光を当てるのにも役立つかもしれません。 科学者たちは、ビッグバン後の宇宙の膨張は、物質の重力によって減速し、最終的には行き止まりとなるか、あるいは逆に「ビッグクランチ」すると予想していました。
同じように、研究者たちが作り出した冷たいガスも、負圧によって崩壊するはずです。
同じように、研究者たちが作った冷たいガスも、負の圧力によって崩壊するはずなのですが、負の温度によってそうならずに済みます。
負の温度はまた、物質のエキゾチックな状態を明らかにし、通常それがなければ安定しないようなシステムを生成する可能性があります。 「
また、負の温度は、それがなければ通常安定しないかもしれない系を生成する、エキゾチックな物質の状態を明らかにする可能性があります。 「
科学者たちは、Science誌の1月4日号にその発見を詳述しました。 Facebook & Google+でもやっています。
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