Больцман вверх ногами
В школе всех учат, что существует абсолютный нуль низких температур - температура никогда не опускается ниже нуля по Кельвину ни на Земле, ни в космосе. Но теперь физики из Мюнхена и Гархинга переворачивают эту физическую основу с ног на голову: они получили так называемые ультрахолодные квантовые газы, демонстрирующие поведение, соответствующее отрицательным температурам. Как это возможно?
Температура тела или газа может быть определена в соответствии с так называемой статистикой Больцмана, названной в честь австрийского физика Людвига Больцмана, одного из основателей статистической механики: статистика описывает энергетическое распределение частиц в средний. Соответственно, их число экспоненциально уменьшается с ростом энергии: все меньше частиц концентрируют на себе высокие энергии. Большинство из них находятся в тепловом равновесии с окружающей средой. Это поведение универсально. Более того, все частицы останавливаются при температуре ноль Кельвинов (минус 273 градуса по Цельсию). Это определяет самый низкий предел в нашем естественном мире.
Но что, если перевернуть распределение энергии с ног на голову? «Обратное распределение Больцмана - это именно то, что представляет собой отрицательную абсолютную температуру», - говорит Ульрих Шнайдер из Института квантовой оптики Макса Планка в Гархинге и Университета Людвига-Максимилиана в Мюнхене. Вместе с командой коллег, в том числе с известным квантовым физиком Иммануэлем Блохом, он разработал систему, в которой высокоэнергетические состояния заняты экспоненциально чаще, чем низкоэнергетические. Однако газ не холоднее нуля Кельвина, поясняет физик, а только горячее: «Шкала температур скачет до отрицательных значений. На первый взгляд это звучит странно, но это следствие исторического определения температуры; если бы ее определяли по-другому, этого кажущегося противоречия не было бы.
В природных системах - например, в воде - отрицательные температуры не достигаются. Для этого потребуется бесконечное количество энергии. Однако когда у частиц есть верхняя граница их энергии, например потенциальная энергия шаров на вершине холма, ситуация радикально меняется. Исследователи, работающие с Блохом и Шнайдером, реализовали такую систему с верхним пределом энергии в лаборатории. Они следовали идеям кельнского физика Ахима Роша и голландца Алларда Моска, которые уже провели предварительную работу по этому вопросу.
В вакуумной камере ученые сначала охладили около 100 000 атомов калия до температуры в несколько миллиардных долей Кельвина. В то же время вакуум термически изолировал атомы от окружающей среды. Затем экспериментаторы зафиксировали почти неподвижные атомы с помощью оптической решетки, состоящей из скрещенных лазерных лучей. Частицы были распределены в нем равномерно и также ограничены в своем движении. Однако, поскольку определение температуры учитывает всю энергию частиц, а не только их динамику, исследователи также установили верхний предел потенциальной энергии. Например, если представить атомы в виде сфер, а оптическую решетку - в виде картонной коробки, в которой вы обычно храните яйца, ученые, так сказать, подняли частицы на верхнюю часть коробки для яиц и не дали им скатиться вниз. «Энергетический барьер делает систему стабильной», - объясняет Саймон Браун, аспирант группы.
Работы физиков могут представлять интерес, в том числе, и для космологов. Потому что система показывает параллели с так называемой темной энергией. По-видимому, эта таинственная сила заставляет космос расширяться все быстрее и быстрее, хотя на самом деле Вселенная должна коллапсировать из-за ее гравитации. Аналогичное явление наблюдается и в атомном облаке: эксперимент основан, среди прочего, на том факте, что атомы притягиваются друг к другу и поэтому существует отрицательное давление. Таким образом, облако должно фактически схлопнуться, но из-за его отрицательной температуры этого не происходит. Она спасена от коллапса, как и вселенная.
Еще одно удивительное следствие существования материи при отрицательной абсолютной температуре заключается в том, что ее можно использовать, например, для создания двигателей с КПД более 100 процентов без нарушения закона сохранения энергии. В «нормальном» процессе более холодная среда неизбежно нагревается, что ограничивает эффективность. С другой стороны, если горячая среда имеет отрицательную температуру, ученые утверждают, что энергия может - по крайней мере гипотетически - извлекаться из обеих сред одновременно.