За несколько прошедших десятилетий ученым удалось добиться значительных успехов в охлаждении различных объектов до температур, приближающихся к абсолютному нулю, температур, при которых замирает все тепловое движение атомов и молекул. Такие возможности позволили ученым изучить свойства вещества, находящегося в необычном состоянии, к примеру, в состоянии конденсата Бозе-Эйнштейна, в котором все свойства вещества кардинально отличаются от его свойств при обычных температурах. Считается, что температуры абсолютного нуля достичь не получится, ведь для этого необходимо использовать другой объект, охлажденный еще до более низкой температуры, температуры ниже абсолютного нуля, а это уж совсем невозможно. Но так ли это?
Поскольку температура объекта определяется законами термодинамики, они, эти законы, в теории допускают возможность существования отрицательных температур по шкале Кельвина. И вот недавно команда немецких ученых сообщила о том, что им удалось создать термодинамическую систему с отрицательной температурой. Во время экспериментов исследователи обнаружили, что отрицательная температура системы устойчиво продержалась в течении нескольких сотен миллисекунд, что дает возможность изучать свойства материала, находящегося в радикально новом физическом состоянии.
Для того, что бы понять как температура может стать отрицательной, необходимо думать с точки зрения законов термодинамики, которые определяются такими понятиями, как энергетическое состояние и энтропия. В нормальной термодинамической системе существует некоторый нижний энергетический предел, в котором могут находиться атомы вещества, но не существует верхнего энергетического предела. И если в систему, температура которой приближается к абсолютному нулю, начать добавлять атомы вещества, имеющие более высокую энергию, то эти атомы начинают равномерно распространяться по всей системе, увеличивая ее энтропию.
Теперь представьте себе термодинамическую систему, в которой присутствует и верхнее энергетическое ограничение, т.е. ограничение максимального количества тепловой энергии, которое может содержаться в одном атоме. Когда все атомы системы переходят в максимально возможное энергетическое состояние энтропия всей системы в целом начинает снижаться и в конце концов становится равной нулю. А с точки зрения законов термодинамики температура такой системы имеет отрицательное значение.
У подобной теории есть достаточно причудливые последствия. К примеру, если добиться максимально возможной энтропии системы, то температура этой системы становится «прерывистой» и стремиться перескакивать от положительной к отрицательной бесконечности и назад. И еще более странные вещи могут произойти, когда такая система вошла бы в контакт с системой с нормальной температурой. «При тепловом контакте» — пишут исследователи, — «тепло начало бы «перетекать» от отрицательной в положительную термодинамическую систему. Поскольку отрицательная термодинамическая система может поглощать энтропию, высвобождая при этом энергию, то такие системы могут стать основой некоторых парадоксальных эффектов, к примеру, теплового двигателя Карно, эффективность которого имеет значение больше единицы».
Для того, что бы создать отрицательную термодинамическую систему, исследователи использовали оптическую решетку из атомов калия, охлажденных до температуры, близкой к абсолютному нулю. При нормальных условиях эти атомы отражают свет, а сама система ведет себя в соответствии с законами термодинамики. Но ученым удалось создать такие условия, что атомы калия приобрели возможность поглощать свет, сохраняя, при этом свою низкую температуру. Такие условия позволили воссоздать нечто, которое можно охарактеризовать термином «антидавление», которое должно разрушить стройную структуру из атомов калия. И только отрицательная температура всей термодинамической системы может препятствовать структуре из атомов калия разрушиться.
Важно отметить, что реализованная отрицательная температура термодинамической системы не является энергетическим уровнем, который находится ниже абсолютного нуля. У атомов системы имеется некоторое количество энергии, а отрицательная температура получается посредством скачкообразного внезапного перехода, а не плавного снижения температуры, которые проходит через абсолютный ноль.
Однако, понятие такой отрицательной термодинамической системы и отрицательной температуры являются только лишь необычным последствиями того, как законы термодинамики определяют понятие температуры и систем, поведение которых кардинально отличается от поведения нормальных систем. Но ученые считают, что исследования в этом направлении помогут людям понять природу темной энергии, за счет которой происходит ускорение расширения Вселенной и которая может являться продуктом того «антидавления», которое присутствует в созданной отрицательной термодинамической системе.
