Учените получиха температура под абсолютната нула

Учените постигнаха нещо невероятно – те успяха да създадат квантов облак от калиеви атоми с температура под тази, която се смята за абсолютен минимум. Работата на изследователите е публикувана в сп. Science.

В повечето съвременни учебници по физика абсолютната нула по скалата на Келвин, или минус 273,15 градуса по Целзий, се смята за най-ниската от възможните температури, тъй като при нея дори най-лекият елемент – водородът, напълно губи своята подвижност, тоест замръзва.

Колкото и да е странно, един от начините за изучаване на отрицателните температури е безкрайно силното нагряване на веществото. Този необичаен и граничещ с фантастиката подход позволява да се проектират двигатели, чийто коефициент на полезно действие ще бъде над 100%, и хвърля светлина на такива загадъчни субстанции като тъмната енергия и др.

От гледна точка на атомната физика температурата е скорост – скоростта на движение на атомите във веществото. И колкото по-бързо се движат атомите, толкова по-висока е температурата. Съответно при -273,15 градуса атомите водород спират напълно. С такъв подход никое вещество не може да бъде по-студено от тази граница.

Но съвременната физика, за да разберем същността на температурата, предлага да погледнем на нея различно, а не като на линеен показател. При температурите, стремящи се към безкрайно ниски или безкрайно високи стойности, скалата рано или късно се оказва в отрицателната област. При положителни температури атомите често заемат ниски енергийни състояния, а при отрицателните – по-високи. Във физиката подобен ефект е известен като разпределение на Болцман.

При абсолютната нула атомите заемат най-ниското енергийно състояние, а при „безкрайната температура” атомите могат да заемат едновременно всички енергийни състояния. Съответно при много високи температури те заемат всички високи енергийни състояния, а при много ниски температури – всички ниски.

„Говорейки за ниски температури, можем да кажем, че си имаме работа с обърнато разпределение на Болцман – казва физикът Улрих Шнайдер от Мюнхенския университет в Германия. – С такава логика веществата, достигащи температури под абсолютната нула, стават „горещи”. Ние смятаме, че при достигане на границата от минус 273 градуса температурата не спира, а просто преминава към отрицателни стойности.”

Тоест обектите с отрицателни температури се държат доста странно. Например обикновено енергията, изхождаща от обект с по-висока температура, е по-голяма от тази на по-студения обект. Но ако веществото премине към отрицателната скала*, то там колкото е по-студено, толкова повече енергия излъчва. Така по-студеният обект е винаги по-енергийно активен, отколкото по-топлият.

Друго странно последствие на отрицателните температури е ентропията – показател на това доколко веществото е хаотично. Когато обектът има традиционна температура, той увеличава ентропията на веществото около и вътре в себе си, но когато температурата отива в отрицателната зона, безкрайно студеният/горещият обект е способен да намали ентропията във и около себе си.

Немските физици твърдят, че отрицателната температура все още в значителна степен е теория. Но тя ще стане практика, когато науката започне да работи с ясни енергийни показатели на един отделен взет атом вещество. Когато изследователите успеят да работят с отделния атом подобно на начина, по който работят в макросвета, може да се говори за това възможно ли е да се охлаждат атомите до суперниски температури и могат ли те да се движат по-бързо от скоростта на светлината.

За генериране на отрицателни температури учените са създали система, в която са задали предел на енергията на атомите. За това физиците са взели 100 000 атома и са ги охладили до температура една милиардна от нулата на Келвин. Атомите били охладени във вакуумна камера, изолирана от външната среда. За точния им контрол изследователите са използвали мрежа от лазерни лъчи и магнитни полета.

Според учените температурата на веществото в крайна сметка зависи от това колко потенциална енергия има в атома и колко енергия се образува от взаимодействието на атомите. Освен това температурата също е тясно свързана с налягането – колкото по-горещ е обектът, толкова повече той се разширява, и обратното. За да се убедят в това, че газът може да има температура, по-ниска от абсолютната нула, е било необходимо учените да създадат такива условия, в които самите атоми нямали съществена енергия, а от отблъскващите сили между тях ще се образува повече енергия, отколкото от привличането.

Нещо подобно е пресъздадено в наномащаб. Симон Браун от Мюнхенския университет твърди, че в бъдеще на практика такива знания може да доведат до създаване на свръхефективни топлинни двигатели. Работата на такива двигатели се опира на преобразуването на топлинната енергия в механична. Теоретично с отрицателни температури такива двигатели биха имали 100% по-голям КПД, макар че от гледна точка на логиката това изглежда невъзможно.

––––––

*Навсякъде, където става въпрос за отрицателни температури, се имат предвид стойности под абсолютната нула.