Den absoluta nollpunkten anses ofta vara den kallaste möjliga temperaturen. Men nu visar forskare att de kan uppnå ännu lägre temperaturer i en märklig värld av ”negativa temperaturer”.
Ett annat sätt att se på dessa negativa temperaturer är att betrakta dem som varmare än oändligheten, tillade forskarna.
Detta ovanliga framsteg skulle kunna leda till nya motorer som tekniskt sett skulle kunna vara mer än 100 procent effektiva och kasta ljus över mysterier som mörk energi, den mystiska substans som tydligen drar vårt universum isär.
Ett objekts temperatur är ett mått på hur mycket dess atomer rör sig – ju kallare ett objekt är, desto långsammare är atomerna. Vid den fysiskt omöjliga temperaturen noll kelvin, eller minus 459,67 grader Fahrenheit (minus 273,15 grader Celsius), skulle atomerna upphöra att röra sig. Inget kan alltså vara kallare än absolut noll på Kelvinskalan.
Bizarro negativa temperaturer
För att förstå de negativa temperaturer som vetenskapsmännen nu har tagit fram kan man tänka sig att temperaturen existerar på en skala som faktiskt är en slinga, inte linjär. Positiva temperaturer utgör en del av slingan, medan negativa temperaturer utgör den andra delen. När temperaturen hamnar antingen under noll eller över oändligheten i den positiva delen av denna skala hamnar den i negativt territorium.
Med positiva temperaturer är det mer sannolikt att atomer upptar lågenergitillstånd än högenergitillstånd, ett mönster som inom fysiken kallas Boltzmannfördelning. När ett objekt värms upp kan atomerna nå högre energinivåer.
Vid den absoluta nollpunkten skulle atomerna inta det lägsta energitillståndet. Vid en oändlig temperatur skulle atomerna inta alla energitillstånd. Negativa temperaturer är alltså motsatsen till positiva temperaturer – det är mer troligt att atomer intar energilägen med hög energi än energilägen med låg energi.
”Den omvända Boltzmannfördelningen är kännetecknet för negativ absolut temperatur, och det är vad vi har uppnått”, säger forskaren Ulrich Schneider, fysiker vid Münchens universitet i Tyskland. ”Ändå är gasen inte kallare än noll kelvin, utan varmare. Den är till och med hetare än vid någon positiv temperatur – temperaturskalan slutar helt enkelt inte vid oändligheten, utan hoppar istället till negativa värden.”
Som man kan förvänta sig beter sig objekt med negativa temperaturer på mycket märkliga sätt. Till exempel flödar energi vanligtvis från objekt med en högre positiv temperatur till objekt med en lägre positiv temperatur – det vill säga, varmare objekt värmer upp kallare objekt och kallare objekt kyler ner varmare objekt, tills de når en gemensam temperatur. Energi kommer dock alltid att flöda från objekt med negativ temperatur till objekt med positiv temperatur. I denna mening är objekt med negativa temperaturer alltid varmare än objekt med positiva temperaturer.
En annan märklig konsekvens av negativa temperaturer har att göra med entropin, som är ett mått på hur oordnat ett system är. När objekt med positiv temperatur frigör energi ökar de entropin hos saker runt omkring dem, vilket gör att de beter sig mer kaotiskt. När objekt med negativa temperaturer frigör energi kan de dock faktiskt absorbera entropi.
Negativa temperaturer skulle betraktas som omöjliga, eftersom det vanligtvis inte finns någon övre gräns för hur mycket energi atomer kan ha, såvitt teorin för närvarande tyder på. (Det finns en gräns för vilken hastighet de kan färdas – enligt Einsteins relativitetsteori kan ingenting accelerera till hastigheter snabbare än ljuset.)
Vansinnigt fysikexperiment
För att generera negativa temperaturer skapade forskarna ett system där atomer har en gräns för hur mycket energi de kan besitta. De kylde först omkring 100 000 atomer till en positiv temperatur på några nanokelvin, eller en miljarddel av en kelvin. De kylde atomerna i en vakuumkammare, som isolerade dem från all miljöpåverkan som eventuellt skulle kunna värma upp dem oavsiktligt. De använde också ett nät av laserstrålar och magnetfält för att mycket exakt kontrollera hur atomerna betedde sig, vilket bidrog till att driva dem in i ett nytt temperaturområde.
”De temperaturer vi uppnådde är negativa nanokelvin”, säger Schneider till LiveScience.
Temperaturen beror på hur mycket atomer rör sig – hur mycket kinetisk energi de har. Nätet av laserstrålar skapade en perfekt ordnad rad av miljontals ljusa ljuspunkter, och i detta ”optiska gitter” kunde atomerna fortfarande röra sig, men deras rörelseenergi var begränsad.
Temperaturen beror också på hur mycket potentiell energi atomerna har, och hur mycket energi som ligger i interaktionerna mellan atomerna. Forskarna använde det optiska nätet för att begränsa hur mycket potentiell energi atomerna hade, och de använde magnetfält för att mycket fint styra interaktionerna mellan atomerna, så att de blev antingen attraktiva eller repulsiva.
Temperaturen hänger ihop med trycket – ju varmare något är, desto mer expanderar det utåt, och ju kallare något är, desto mer drar det ihop sig inåt. För att se till att den här gasen hade en negativ temperatur var forskarna tvungna att ge den ett negativt tryck också, och mixtrade med växelverkan mellan atomerna tills de attraherade varandra mer än de stötte bort varandra.
”Vi har skapat det första tillståndet med negativ absolut temperatur för rörliga partiklar”, säger forskaren Simon Braun vid universitetet i München i Tyskland.
Nya typer av motorer
Negativa temperaturer skulle kunna användas för att skapa värmemotorer – motorer som omvandlar värmeenergi till mekaniskt arbete, t.ex. förbränningsmotorer – som har en verkningsgrad på mer än 100 procent, något som verkar omöjligt. Sådana motorer skulle i huvudsak inte bara absorbera energi från varmare ämnen utan även från kallare ämnen. Som sådan skulle det arbete som motorn utförde kunna vara större än den energi som togs enbart från det varmare ämnet.
Negativa temperaturer kan också bidra till att kasta ljus över ett av de största mysterierna inom vetenskapen. Forskarna hade förväntat sig att materiens gravitation skulle bromsa universums expansion efter Big Bang, så att den så småningom stannade upp eller till och med vändes till en ”Big Crunch”. Men universums expansion verkar tydligen accelerera, en accelererad tillväxt som kosmologer menar kan bero på mörk energi, ett ännu okänt ämne som kan utgöra mer än 70 procent av kosmos.
På ungefär samma sätt borde det negativa trycket i den kalla gasen som forskarna skapade få den att kollapsa. Dess negativa temperatur hindrar den dock från att göra det. Som sådan kan negativa temperaturer ha intressanta paralleller med mörk energi som kan hjälpa forskarna att förstå denna gåta.
Negativa temperaturer skulle också kunna kasta ljus över exotiska materietillstånd och generera system som normalt sett inte skulle vara stabila utan dem. ”En bättre förståelse för temperatur kan leda till nya saker som vi ännu inte ens har tänkt på”, säger Schneider. ”När man studerar grunderna mycket grundligt vet man aldrig var det kan sluta.”
Vetenskapsmännen redogör för sina resultat i tidskriften Science den 4 januari.
Följ LiveScience på Twitter @livescience. Vi finns även på Facebook & Google+.
Renoverade nyheter