Вопрос на #Яндекс.Кью, да:
"Может ли существовать температура ниже абсолютного нуля?"
С одной стороны, ответ вроде бы очевиден:
Никак нет, на то она и абсолютная! Никакое вещество охладить до температуры ниже, чем -273.15 по Цельсию - или 0 по Кельвину - невозможно.
Но, как ни странно, при определённом подходе к проблеме и это становится вполне реальным.
Для того, чтобы понять, как так может быть, разберёмся с самой сутью "температуры" как физического параметра.
Обычно температура понимается как энергия беспорядочного движения частиц вещества, что является функцией от скорости движения этих частиц. При абсолютном нуле и то, и другое становится равным нулю. Двигаться медленнее, чем стоять на месте, невозможно.
А вот двигаться намного быстрее можно. Но существование сложных молекул при этом исключено, поэтому нас, из этих сложных молекул и состоящих, окружают только относительно "холодные" объекты, и до минимума температур нам гораздо ближе, чем до максимума.
Однако существуют разные определения температуры. В соответствии с некоторыми из них, возможна и отрицательная абсолютная температура.
В частности, температура может пониматься как мера беспорядочного ("энтропийного") движения частиц. Нулевой уровень такого движения - абсолютный ноль температуры. Но ведь возможно и согласованное движение частиц - то есть мера беспорядочности движения становится отрицательной. Такие условия существуют, например, в работающей лазерной установке: массовый переход электронов с одной атомной орбитали на другую соответствует определению упорядоченного движения.
Другой вариант описания: в любой среде существуют атомы/молекулы в возбуждённом состоянии. Это означает, что часть электронов атома/молекулы находятся на более высоких энергетических уровнях, чем положено. Доля таких частиц зависит от температуры. Но количество невозбуждённых атомов/молекул всегда выше, чем возбуждённых. Если же оно становится ниже, то для того, чтобы уравнение, описывающие физические процессы в веществе, имело смысл, температура должна стать отрицательной.
Ну, или если кто предпочитает более строгое изложение:
Если мы ...вспомним, что в случае молекул, которые могут находиться на двух энергетических уровнях, число молекул, находящихся в верхнем состоянии, равно числу молекул, находящихся в нижнем состоянии, умноженному на экспоненциальный фактор, который является отрицательным отношением разности энергий двух уровней к kT, то мы увидим, что для положительного значения температуры экспоненциальная функция всегда отрицательна, и поэтому экспоненциальный член всегда меньше единицы. Это означает, что населенность частиц в верхнем состоянии всегда меньше, чем населенность в нижнем состоянии. Ситуация, при которой населенность верхнего уровня больше, чем нижнего, соответствует случаю, при котором экспоненциальный множитель больше единицы. Это получается, если kT является отрицательным, т.е. температура отрицательна.
Метки: #лазер , #мазер , #наука , #наука и технологии , #температура, #космос , #лазеры , #S-ликбез , #интересные факты
Реализуется такое состояние опять-таки в лазерной или мазерной установке. Лазерный луч рождается тогда, когда вещество, молекулы которого в ходе "энергетической накачки" перешли в возбуждённое состояние, под воздействием света нужной частоты претерпевает массовый возврат молекул в нормальное состояние. При этом накопленная энергия тоже излучается в виде света. Мазер - всё то же самое, но в микроволновом диапазоне. А в космосе существуют и природные объекты, в которых происходит генерация мазерного излучения.
Так что устройства с отрицательной абсолютной температурой широко распространены. Прекрасно подходят для троллинга котов - и "знатоков" физики, которые со школьной скамьи заучили, что отрицательной абсолютной температуры не бывает...
См. также
