Zero absolutne jest często uważane za najzimniejszą możliwą temperaturę. Ale teraz naukowcy pokazują, że mogą osiągnąć jeszcze niższe temperatury dla dziwnego królestwa „ujemnych temperatur.”
Odwrotnie, innym sposobem patrzenia na te ujemne temperatury jest uznanie ich za gorętsze niż nieskończoność, dodają naukowcy.
Ten niezwykły postęp może prowadzić do nowych silników, które technicznie mogą być bardziej niż w 100 procentach wydajne i rzucić światło na tajemnice takie jak ciemna energia, tajemnicza substancja, która najwyraźniej rozciąga nasz wszechświat na kawałki.
Temperatura obiektu jest miarą tego, jak bardzo poruszają się jego atomy – im zimniejszy jest obiekt, tym wolniej poruszają się atomy. W fizycznie niemożliwej do osiągnięcia temperaturze zero kelwinów, czyli minus 459,67 stopni Fahrenheita (minus 273,15 stopni Celsjusza), atomy przestałyby się poruszać. Jako takie, nic nie może być zimniejsze niż zero absolutne w skali Kelvina.
Ujemne temperatury Bizarro
Aby zrozumieć ujemne temperatury, które naukowcy teraz opracowali, można pomyśleć o temperaturze jako istniejącej w skali, która jest właściwie pętlą, a nie linią. Dodatnie temperatury tworzą jedną część pętli, podczas gdy ujemne temperatury tworzą drugą część. Kiedy temperatury spadają poniżej zera lub powyżej nieskończoności w pozytywnym regionie tej skali, kończą na terytorium ujemnym.
W przypadku dodatnich temperatur, atomy częściej zajmują stany niskoenergetyczne niż wysokoenergetyczne, wzór znany w fizyce jako rozkład Boltzmanna. Kiedy obiekt jest ogrzewany, jego atomy mogą osiągać wyższe poziomy energetyczne.
Przy zerze absolutnym atomy zajmowałyby najniższy stan energetyczny. W nieskończonej temperaturze, atomy zajmowałyby wszystkie stany energetyczne. Ujemne temperatury są więc przeciwieństwem temperatur dodatnich – atomy częściej zajmują stany wysokoenergetyczne niż niskoenergetyczne.
„Odwrócony rozkład Boltzmanna jest cechą charakterystyczną ujemnej temperatury bezwzględnej i to właśnie osiągnęliśmy” – powiedział badacz Ulrich Schneider, fizyk z Uniwersytetu w Monachium w Niemczech. „Jednak gaz nie jest zimniejszy niż zero kelwinów, ale gorętszy. Jest nawet gorętszy niż w jakiejkolwiek dodatniej temperaturze – skala temperatury po prostu nie kończy się na nieskończoności, lecz przeskakuje do wartości ujemnych.”
Jak można się spodziewać, obiekty o ujemnych temperaturach zachowują się w bardzo dziwny sposób. Na przykład, energia zazwyczaj przepływa z obiektów o wyższej temperaturze dodatniej do tych o niższej temperaturze dodatniej – to znaczy, gorętsze obiekty ogrzewają chłodniejsze obiekty, a zimniejsze chłodzą gorętsze, aż osiągną wspólną temperaturę. Jednakże energia zawsze będzie płynąć od obiektów o ujemnej temperaturze do obiektów o temperaturze dodatniej. W tym sensie obiekty o ujemnych temperaturach są zawsze gorętsze niż te o temperaturach dodatnich.
Inna dziwna konsekwencja ujemnych temperatur ma związek z entropią, która jest miarą tego, jak nieuporządkowany jest system. Kiedy obiekty z dodatnią temperaturą uwalniają energię, zwiększają entropię rzeczy wokół nich, sprawiając, że zachowują się bardziej chaotycznie. Jednakże, kiedy obiekty o ujemnej temperaturze uwalniają energię, mogą faktycznie pochłaniać entropię.
Ujemne temperatury byłyby uważane za niemożliwe, ponieważ zazwyczaj nie ma górnej granicy dla tego, ile energii mogą mieć atomy, tak daleko, jak sugeruje teoria. (Istnieje jednak limit prędkości, z jaką mogą się poruszać – zgodnie z teorią względności Einsteina, nic nie może przyspieszać do prędkości szybszych niż światło.)
Czarny eksperyment fizyczny
Aby wygenerować ujemne temperatury, naukowcy stworzyli system, w którym atomy mają limit energii, jaką mogą posiadać. Najpierw schłodzili około 100 000 atomów do dodatniej temperatury kilku nanokelwinów, czyli miliardowych części kelwina. Atomy były chłodzone w komorze próżniowej, która izolowała je od wszelkich wpływów środowiska, które mogłyby je przypadkowo podgrzać. Wykorzystali również sieć wiązek laserowych i pól magnetycznych, aby bardzo precyzyjnie kontrolować zachowanie atomów, co pomogło im w osiągnięciu nowej temperatury.
„Temperatury, które osiągnęliśmy to ujemne nanokelwiny,” powiedział Schneider w wywiadzie dla LiveScience.
Temperatura zależy od tego, jak bardzo atomy się poruszają – ile mają energii kinetycznej. Sieć wiązek laserowych stworzyła doskonale uporządkowany układ milionów jasnych punktów światła, a w tej „optycznej sieci” atomy wciąż mogły się poruszać, ale ich energia kinetyczna była ograniczona.
Temperatura zależy również od tego, ile energii potencjalnej mają atomy i ile energii leży w interakcjach między atomami. Naukowcy wykorzystali siatkę optyczną, aby ograniczyć ilość energii potencjalnej atomów, a także użyli pól magnetycznych, aby bardzo precyzyjnie kontrolować oddziaływania między atomami, czyniąc je atrakcyjnymi lub odpychającymi.
Temperatura jest związana z ciśnieniem – im coś jest gorętsze, tym bardziej rozszerza się na zewnątrz, a im coś jest zimniejsze, tym bardziej kurczy się do wewnątrz. Aby upewnić się, że gaz ma ujemną temperaturę, badacze musieli nadać mu również ujemne ciśnienie, majstrując przy oddziaływaniach między atomami, aż przyciągały się one bardziej niż odpychały.
„Stworzyliśmy pierwszy stan ujemnej temperatury bezwzględnej dla poruszających się cząsteczek” – powiedział badacz Simon Braun z Uniwersytetu w Monachium w Niemczech.
Nowe rodzaje silników
Negatywne temperatury mogą być wykorzystane do stworzenia silników cieplnych – silników, które przekształcają energię cieplną w pracę mechaniczną, takich jak silniki spalinowe – które są bardziej niż w 100 procentach wydajne, co wydaje się niemożliwe. Takie silniki zasadniczo nie tylko absorbowałyby energię z gorętszych substancji, ale także z zimniejszych. Jako takie, praca wykonana przez silnik mogłaby być większa niż energia pobrana tylko z gorętszej substancji.
Ujemne temperatury mogą również pomóc rzucić światło na jedną z największych tajemnic w nauce. Naukowcy spodziewali się, że grawitacyjne przyciąganie materii spowolni ekspansję wszechświata po Wielkim Wybuchu, w końcu doprowadzając go do martwego punktu lub nawet odwracając go dla „Wielkiego Kryzysu”. Jednak ekspansja wszechświata najwyraźniej przyspiesza, przyspieszony wzrost, który kosmolodzy sugerują, że może być spowodowany ciemną energią, nieznaną jeszcze substancją, która może stanowić ponad 70 procent kosmosu.
W podobny sposób ujemne ciśnienie zimnego gazu, który stworzyli naukowcy, powinno spowodować jego zapadnięcie się. Jednak jego ujemna temperatura powstrzymuje go od tego. Ujemne temperatury mogą mieć interesujące podobieństwa z ciemną energią, co może pomóc naukowcom zrozumieć tę zagadkę.
Ujemne temperatury mogą również rzucić światło na egzotyczne stany materii, generując układy, które normalnie nie byłyby stabilne bez nich. „Lepsze zrozumienie temperatury może doprowadzić do nowych rzeczy, o których jeszcze nawet nie myśleliśmy” – powiedział Schneider. „Kiedy studiujesz podstawy bardzo dokładnie, nigdy nie wiesz, gdzie to może się skończyć.”
Naukowcy opisali swoje odkrycia w numerze 4 stycznia czasopisma Science.
Follow LiveScience on Twitter @livescience. Jesteśmy również na Facebooku & Google+.
Ostatnie wiadomości