Absoluut nulpunt wordt vaak beschouwd als de koudst mogelijke temperatuur. Maar nu hebben onderzoekers laten zien dat ze nog lagere temperaturen kunnen bereiken in een vreemd gebied van “negatieve temperaturen.”
Een andere manier om naar deze negatieve temperaturen te kijken, is ze als heter dan oneindig te beschouwen, voegden onderzoekers eraan toe.
Deze ongebruikelijke vooruitgang zou kunnen leiden tot nieuwe motoren die technisch meer dan 100 procent efficiënt zouden kunnen zijn, en licht werpen op mysteries zoals donkere energie, de mysterieuze substantie die ons universum uit elkaar schijnt te trekken.
De temperatuur van een object is een maat voor de mate waarin de atomen bewegen – hoe kouder een object is, hoe langzamer de atomen zijn. Bij de fysiek onbereikbare temperatuur van nul kelvin, ofwel min 459,67 graden Fahrenheit (min 273,15 graden Celsius), zouden atomen niet meer bewegen. Als zodanig kan niets kouder zijn dan het absolute nulpunt op de schaal van Kelvin.
Bizarro negatieve temperaturen
Om de negatieve temperaturen te begrijpen die wetenschappers nu hebben bedacht, kan men temperatuur zien als bestaande op een schaal die in feite een lus is, niet lineair. Positieve temperaturen vormen een deel van de lus, terwijl negatieve temperaturen het andere deel vormen. Wanneer de temperatuur onder nul of boven oneindig komt op het positieve deel van deze schaal, komt hij in negatief gebied terecht.
Bij positieve temperaturen hebben atomen meer kans om in lage-energietoestanden te verkeren dan in hoge-energietoestanden, een patroon dat in de natuurkunde bekend staat als de Boltzmann-distributie. Wanneer een voorwerp wordt verhit, kunnen de atomen ervan hogere energieniveaus bereiken
Bij het absolute nulpunt zouden atomen de laagste energietoestand innemen. Bij een oneindige temperatuur zouden atomen alle energietoestanden innemen. Negatieve temperaturen zijn dan het tegenovergestelde van positieve temperaturen – atomen bezetten vaker hoge-energietoestanden dan lage-energietoestanden.
“De omgekeerde Boltzmann-verdeling is het kenmerk van een negatieve absolute temperatuur, en dit is wat wij hebben bereikt,” zei onderzoeker Ulrich Schneider, een natuurkundige aan de Universiteit van München in Duitsland. “Toch is het gas niet kouder dan nul kelvin, maar heter. Het is zelfs heter dan bij welke positieve temperatuur dan ook – de temperatuurschaal eindigt gewoon niet bij oneindig, maar springt in plaats daarvan naar negatieve waarden.”
Zoals je zou verwachten, gedragen objecten met negatieve temperaturen zich op heel vreemde manieren. Zo stroomt er bijvoorbeeld energie van voorwerpen met een hogere positieve temperatuur naar voorwerpen met een lagere positieve temperatuur – dat wil zeggen dat hetere voorwerpen koelere voorwerpen opwarmen, en koudere voorwerpen warmere voorwerpen afkoelen, totdat ze een gemeenschappelijke temperatuur hebben bereikt. Er zal echter altijd energie vloeien van voorwerpen met een negatieve temperatuur naar voorwerpen met een positieve temperatuur. In die zin zijn voorwerpen met een negatieve temperatuur altijd heter dan die met een positieve temperatuur.
Een ander vreemd gevolg van negatieve temperaturen heeft te maken met entropie, een maat voor de wanordelijkheid van een systeem. Wanneer voorwerpen met een positieve temperatuur energie afgeven, neemt de entropie van de dingen om hen heen toe, waardoor zij zich chaotischer gaan gedragen. Wanneer echter objecten met negatieve temperaturen energie afgeven, kunnen zij juist entropie absorberen.
Negatieve temperaturen zouden onmogelijk worden geacht, omdat er, voor zover de theorie het nu toelaat, geen bovengrens is voor de hoeveelheid energie die atomen kunnen hebben. (Er is wel een grens aan de snelheid waarmee ze kunnen reizen – volgens Einsteins relativiteitstheorie kan niets sneller dan het licht.)
Geweldig natuurkundig experiment
Om negatieve temperaturen op te wekken, creëerden wetenschappers een systeem waarin atomen wel een grens hebben aan de hoeveelheid energie die ze kunnen bezitten. Zij koelden eerst ongeveer 100.000 atomen tot een positieve temperatuur van enkele nanokelvin, of miljardste van een kelvin. Zij koelden de atomen in een vacuümkamer, die hen isoleerde van alle omgevingsinvloeden die hen per ongeluk zouden kunnen opwarmen. Ze gebruikten ook een web van laserstralen en magnetische velden om heel precies te regelen hoe deze atomen zich gedroegen, waardoor ze naar een nieuw temperatuursgebied werden geduwd.
“De temperaturen die we bereikten zijn negatief nanokelvin,” vertelde Schneider aan LiveScience.
De temperatuur hangt af van de mate waarin atomen bewegen – hoeveel kinetische energie ze hebben. Het web van laserstralen creëerde een perfect geordende reeks van miljoenen heldere lichtvlekken, en in dit “optische raster” konden atomen nog steeds bewegen, maar hun kinetische energie was beperkt.
De temperatuur hangt ook af van hoeveel potentiële energie atomen hebben, en hoeveel energie er in de interacties tussen de atomen zit. De onderzoekers gebruikten het optische raster om de potentiële energie van de atomen te beperken, en ze gebruikten magnetische velden om de interacties tussen de atomen zeer nauwkeurig te regelen, zodat ze aantrekkelijk of afstotend werden.
Temperatuur hangt samen met druk – hoe heter iets is, hoe meer het naar buiten uitzet, en hoe kouder iets is, hoe meer het naar binnen krimpt. Om ervoor te zorgen dat dit gas een negatieve temperatuur had, moesten de onderzoekers het ook een negatieve druk geven, door te sleutelen aan de interacties tussen atomen totdat ze elkaar meer aantrokken dan afstootten.
“We hebben de eerste negatieve absolute temperatuurtoestand voor bewegende deeltjes gecreëerd,” zei onderzoeker Simon Braun van de Universiteit van München in Duitsland.
Nieuwe soorten motoren
Negatieve temperaturen zouden kunnen worden gebruikt om warmtemotoren te maken – motoren die warmte-energie omzetten in mechanische arbeid, zoals verbrandingsmotoren – die meer dan 100 procent efficiënt zijn, iets wat schijnbaar onmogelijk is. Dergelijke motoren zouden in wezen niet alleen energie absorberen van hetere stoffen, maar ook van koudere. Zo zou het werk dat de motor verricht groter kunnen zijn dan de energie die alleen uit de hetere stof wordt gehaald.
Negatieve temperaturen zouden ook kunnen helpen licht te werpen op een van de grootste mysteries in de wetenschap. Wetenschappers hadden verwacht dat de zwaartekracht van materie de uitdijing van het heelal na de oerknal zou vertragen en uiteindelijk tot stilstand zou brengen of zelfs zou omkeren tot een “Big Crunch”. Maar de uitdijing van het heelal lijkt te versnellen, een versnelde groei die volgens kosmologen te wijten zou kunnen zijn aan donkere energie, een nog onbekende stof die meer dan 70 procent van de kosmos zou kunnen uitmaken.
Op vrijwel dezelfde manier zou de negatieve druk van het koude gas dat de onderzoekers creëerden, het moeten doen instorten. De negatieve temperatuur weerhoudt het er echter van. Als zodanig kunnen negatieve temperaturen interessante parallellen vertonen met donkere energie, die wetenschappers kunnen helpen dit raadsel te begrijpen.
Negatieve temperaturen zouden ook licht kunnen werpen op exotische toestanden van materie, waardoor systemen kunnen ontstaan die normaal gesproken niet stabiel zouden zijn zonder deze. “Een beter begrip van temperatuur kan leiden tot nieuwe dingen waar we nog niet eens aan hebben gedacht,” zei Schneider. “Als je de basis heel grondig bestudeert, weet je nooit waar het kan eindigen.”
De wetenschappers zetten hun bevindingen uiteen in het 4 januari nummer van het tijdschrift Science.
Volg LiveScience op Twitter @livescience. We zijn ook op Facebook & Google+.
Recent nieuws