В воде и любой другой природной системе эта инверсия не может быть достигнута, потому что для этого система должна будет поглощать бесконечную энергию, что невозможно.
Однако, если частицы теперь имеют верхний предел своей энергии, например, вершина холма в ландшафте потенциальной энергии, ситуация полностью меняется.
Именно такую систему с верхним энергетическим пределом исследователи вокруг Иммануила Блоха и Ульриха Шнайдера, следуя теоретическим предложениям Алларда Моска и Ахима Роша, создали в лаборатории по газу атомов.
Для этого ученые охлаждают около ста тысяч атомов в вакуумной камере до температуры нескольких миллиардных долей Кельвина и улавливают их в оптических ловушках, сделанных из лазерных лучей.
Окружающий сверхвысокий вакуум обеспечивает полную термическую изоляцию атомов от окружающей среды. Таким образом, лазерные лучи образуют так называемую оптическую решетку, в которой атомы регулярно располагаются на решетчатых участках.
Хотя атомы могут перемещаться из места решетки в место решетки из-за туннельного эффекта, их кинетическая энергия ограничена вверх и, таким образом, имеет требуемый предел.
Тем не менее, температура учитывает не только кинетическую энергию, но и общую энергию частиц в этой системе, включая взаимодействие и потенциальную энергию.
Система исследователей Мюнхена и Гархинга также устанавливает для этого верхний предел. Затем физики доводят атомы до этого верхнего предела общей энергии - температура, таким образом, отрицательная, на минус несколько миллиардных долей Кельвина.
Если температура отрицательная, двигатель может выполнять больше работы.
Если сферы имеют положительную температуру и лежат в долине с минимальной потенциальной энергией, то это состояние очевидно стабильно - это природа в том виде, в каком мы ее знаем.
Однако, если они находятся на холме при максимальной потенциальной энергии, они обычно скатываются вниз и преобразуют свою потенциальную энергию в кинетическую.
"Но если сферы имеют отрицательную температуру, то их кинетическая энергия уже настолько велика, что не может увеличиваться дальше", - объясняет Саймон Браун, аспирант исследовательской группы.
"Поэтому шары не могут скатиться вниз и остаться на холме". Таким образом, энергетический барьер делает систему стабильной!" Состояние отрицательной температуры в ее эксперименте на самом деле так же стабильно, как и при положительной температуре. "Мы впервые достигли отрицательной абсолютной температуры в системе движущихся частиц", - добавляет Браун.
Материя при отрицательной абсолютной температуре имеет целый ряд поразительных последствий: Ее можно было бы использовать для создания тепловых двигателей, например, двигателей, эффективность которых превышает 100%.
Однако это не означает, что закон об энергосбережении нарушается. Скорее, в отличие от обычного случая, машина могла забирать энергию не только из горячей среды и таким образом выполнять работу, но и из холода.
Напротив, при чисто положительных температурах более холодная среда неизбежно нагревается, поглощая часть энергии горячей среды и тем самым ограничивая эффективность.
С другой стороны, если горячая среда имеет отрицательную температуру, энергия может быть взята из обеих сред одновременно. Таким образом, работа, которую выполняет машина, больше, чем энергия, которая берется только из горячей среды - эффективность составляет более 100 процентов.
Работы мюнхенских физиков могут быть интересны и для космологии. Это объясняется тем, что отрицательная температура показывает параллели с так называемой темной энергией в ее термодинамическом поведении.
Космологи постулируют их как таинственную силу, которая заставляет космос расширяться все быстрее, хотя на самом деле он должен сжиматься из-за гравитационного притяжения материи во вселенной.
Аналогичное явление наблюдается и в атомном облаке в мюнхенской лаборатории: эксперимент основан, в частности, на том, что атомы газа не отталкивают друг друга, как в обычном газе, а притягивают друг друга.
Это означает, что они оказывают отрицательное, а не положительное давление; поэтому атомное облако хочет сократиться и должно фактически разрушиться - точно так же, как можно было бы ожидать, что вселенная разрушится под действием гравитации. Но из-за отрицательной температуры она этого не делает. Оно так же безопасно от краха, как и вселенная.