Квантовая физика энергии
То, что привычно для многих людей зимой, ранее было невозможно в физике: отрицательная температура. По шкале Цельсия градусы ниже нуля удивляют только летом.
Однако на абсолютной температурной шкале, которая используется физиками и также называется шкалой Кельвина, температура не может опускаться ниже нуля - по крайней мере, не в том смысле, что что-то становится холоднее нуля Кельвина.
В соответствии с физическим значением температуры, чем медленнее хаотическое движение ее частиц, тем ниже температура газа. При нулевом Кельвине (минус 273 градуса Цельсия) частицы приходят в состояние покоя, и весь беспорядок исчезает.
Так что ничто не может быть холоднее абсолютного нуля по шкале Кельвина. Физики из Университета Людвига-Максимилиана в Мюнхене и Института квантовой оптики Макса Планка в Гархинге создали в лаборатории атомный газ, который, тем не менее, может принимать отрицательные значения Кельвина.
Эти отрицательные абсолютные температуры имеют некоторые, казалось бы, абсурдные последствия: хотя атомы в газе притягивают друг друга и, таким образом, существует отрицательное давление, газ не разрушается - поведение, которое также постулируется для темной энергии в космологии.
Отрицательные абсолютные температуры также могут быть использованы для создания якобы невозможных тепловых двигателей, таких как двигатель, который работает с термодинамическим КПД более 100 процентов.
Если вы хотите довести воду до кипения, вы должны снабдить ее энергией. Во время нагревания молекулы воды в среднем движутся все быстрее и быстрее, они увеличивают свою кинетическую энергию.
Отдельные молекулы имеют очень различную энергию - от очень медленной до очень быстрой. Группы с низкой энергией более вероятны, чем группы с высокой энергией - только несколько частиц движутся очень быстро.
Это распределение называется в физике распределением Больцмана. Физики Ульриха Шнайдера и Иммануила Блоха увидели, что у газа с отрицательным значением все наоборот: многие частицы имеют высокую энергию и лишь немногие - низкую. Это изменение распределения энергии означает, что частицы приняли отрицательную температуру.
"Обратное распределение Больцмана - это именно то, что составляет отрицательную абсолютную температуру, и мы этого добились", - говорит Ульрих Шнайдер.
Однако газ не холоднее нуля Кельвина, а горячее, как объясняет физик: "Он даже горячее, чем при любой положительной температуре - температурная шкала просто не останавливается на бесконечность, а перескакивает на отрицательные значения".
Отрицательная температура может быть достигнута только при верхнем пределе энергии.
Важность отрицательной абсолютной температуры может быть проиллюстрирована катящимися шариками в холмистом ландшафте, где впадины представляют собой низкие, а возвышенности - высокопотенциальные источники энергии.
Чем быстрее движутся сферы, тем выше их кинетическая энергия: Если взять положительную температуру и увеличить суммарную энергию сфер, т.е. нагреть их, то они все больше распределяются по ландшафту в районах с высокой энергией.
Если бы их даже можно было нагреть до бесконечных температур, то их с одинаковой вероятностью можно было бы найти в любой точке ландшафта, независимо от потенциальной энергии.
Если бы сейчас можно было поставлять еще больше энергии, т.е. нагревать сферы еще дальше, то они бы собирались особенно в энергетических состояниях с высокой энергией и тогда были бы еще горячее, чем при бесконечной температуре.
Затем распределение Больцмана было бы обратным и температура была бы отрицательной. То, что отрицательная абсолютная температура горячее, чем положительная, поначалу звучит странно.
Но это просто следствие исторического определения абсолютной температуры; если бы она была определена по-другому, этого очевидного противоречия не существовало бы.
Продолжение следует...