Kas per neigiama temperatūra?

Praeitą savaitę per žiniasklaidą nuvilnijo žinia apie naują mokslininkų pasiekimą: neigiamą temperatūrą. Žinoma, turima omeny ne Celsijaus skalė, kuri neigiamas vertes pasiekia kiekvieną žiemą, bet Kelvino, arba termodinaminė, temperatūros skalė, nurodanti, kiek šiluminės energijos turi sistema. Ne veltui jos atskaitos taškas vadinamas absoliučiu nuliu – pasiekusi šią temperatūros vertę, sistema teoriškai prarastų visą šiluminę energiją, o bet koks likęs atsitiktinis dalelių judėjimas joje vyktų nebe dėl šiluminių, o, pavyzdžiui, dėl kvantinių efektų. Taigi kai kas nors pareiškia, jog pasiekta neigiama absoliuti temperatūra, verta suklusti ir pasiaiškinti, kaip čia dabar yra.

Na o pasigilinus paaiškėja, kad sensacija padaryta iš semantikos, o ne iš fizikos. Nors užbėgdamas už akių pasakysiu, kad fizikos čia irgi yra ir pasiekimas (greičiausiai) yra reikšmingas, bet „neigiama temperatūra“ nėra kažkas tokio stebuklingo, kaip, pavyzdžiui, realus šviesos greičio viršijimas ar antigravitacijos sukūrimas.

O semantika čia yra tokia. „Temperatūra“ yra toks keistas fizikinis dydis, kuris gali būti apibrėžiamas įvairiai. Dažnai skirtumo tarp tų apibrėžimų nėra, bet artėjant prie ekstremalių verčių, skirtumai atsiranda ir išryškėja. Temperatūros apibrėžimas, kuriuo naudojantis galima įvardinti „absoliutų nulį“ (nors kai lordas Kelvinas sugalvojo savo skalę, to apibrėžimo dar nebūta), susijęs su vidutine sistemos dalelių energija. Kuo ta vidutinė energija mažesnė, tuo mažesnė ir temperatūra. Viskas labai paprasta ir aišku.

Bėda kyla tada, kai panagrinėjame dalelių vidinių energijų pasiskirstymą sistemoje. Jei dalelės nėra sukabintos į kokią kristalo gardelę, o gali lakstyti laisvai, jų energijos yra labai įvairios. Kai kurios dalelės vos juda, kitos zuja gerokai greičiau už vidurkį. Bet vidutinė vertė, iš kurios galime apskaičiuoti temperatūrą, išlieka. Sąveikaujančioje sistemoje paprastai egzistuoja atskiri energijos lygmenys – energijos vertės, kurias dalelės gali turėti, o tarpinių verčių – ne. Tokia sistema vadinama kvantuota, nes perėjimas iš vieno energijos lygmens į kitą reikalauja tam tikro griežtai apibrėžto kiekio – kvanto – energijos. Bet ir čia galime apibrėžti temperatūrą, kurios vertė nurodo, kokia dalis sistemą sudarančių dalelių yra kiekviename energijos lygmenyje. Dažniausiai dauguma dalelių yra žemiausiame energijos lygyje, o kuo lygis aukštesnis, tuo dalelių jame mažiau. Temperatūrai kylant, vis daugiau dalelių peršoka į aukštesnius energijos lygmenis, bet vis tiek apatiniuose lygmenyse jų lieka daugiau, nei kitur.

Ar įmanoma sukurti sistemą, kurioje aukštesniame energijos lygmenyje dalelių būtų daugiau, nei žemesniame? Taip, įmanoma – teoriškai tai žinoma jau daugiau nei pusšimtį metų, o praktiškai pirmą kartą pademonstruota prieš keletą metų. Tokioje sistemoje dauguma dalelių susitelkusios didžiausios energijos lygmenyje, o žemesniuose jų vis mažiau ir mažiau. Statistiškai tokią sistemą galima aprašyti kaip turinčią neigiamą temperatūrą.

Štai čia ir slypi visa paslaptis. „Neigiama“ temperatūra iš tiesų yra ne žemesnė už absoliutų nulį, o didesnė už begalinę teigiamą temperatūrą. Skamba keistai, bet taip jau kartais būna fizikoje. Būtent tokį rezultatą pasiekė mokslininkai, pirma dujas atšaldę beveik iki absoliutaus nulio, o tada lazeriais ir magnetiniais laukasi „apvertę“ jų sąveiką, kad sistema įgytų neigiamą temperatūrą. Nuo ankstesnių rezultatų šis skiriasi tuo, kad anksčiau neigiama temperatūra pasiekta tik labai griežtai apibrėžtose kvantinėse sistemose, o šį kartą taip išdėstyti pavyko atomus, kurių energijos lygmenys gali būti gerokai įvairesni.

Neapsimetinėsiu, kad suprantu visas tyrimo detales; taip pat nesu tikras, ar gerai suprantu ir tyrimo autorių siūlomus rezultatų pritaikymo būdus. Viena įdomi tokios sistemos savybė yra neigiamas slėgis ir antigravitacija. Iš pirmo žvilgsnio šios savybės primena mįslingosios tamsiosios energijos, kuri galimai atsakinga už greitėjantį Visatos plėtimąsi, savybes. Tačiau ar neigiamos temperatūros atomai kaip nors susiję su šia Visatos evoliucijos paslaptimi, parodys tik laikas ir tolimesni tyrimai.

Laiqualasse

12 komentarų

  1. Tiesą sakant visiškai nesupratau straipsnio… :( Nesupratau, kodėl tokia materijos būsena vadinama „neigiama“? Aš temperatūrą suprantu kaip energijos kiekį, kurį turi dalelė. Suteikus materijai energijos dalelės juda/vibruoja daugiau, atėmus energijos – mažiau, prie absoliutaus nulio bet koks judėjimas turėtų sustoti. O tai, kokiame energijos lygmenyje lygmenyje yra dalelės kaip ir neturėtų būti svarbu. Jei tokioje būsenoje, kaip čia aprašyta, dalelės sugrįžimui į žemesniuosius lygmenis reikalautų suteikti joms energiją, tai sutikčiau kad temperatūra „neigiama“. Tačiau kaip supratau iš straipsnio tokią būseną reikia sukurti ir palaikyti lazeriais, t.y. pastoviai suteikiant energiją. Vadinasi, tai ta pati teigiama temperatūra, tik „kitokia forma“, jei taip galima išsireikšti… Galų gale, dalelės sugrįždamos į žemesnį lygmenį turėtų išskirti energiją. Kitaip sakant, sutinku, kad tokia medžiagos būsena pakankamai įdomi, tačiau visas šitas šaršalas ir pavadinimas „neigiama temperatūra“ man labiau panašus į pigų kažkurio universiteto PR: „suteikime kokį nors skambų, visus užkabinantį pavadinimą ir paleiskime į spaudą – gausime dėmesio“.

    1. Vadinasi, išaiškinau nepakankamai detaliai, nes apie didelę dalį to, kas tau neaišku, rašiau.

      Tai, ką tu pavadinai temperatūra, yra termodinaminė temperatūra, apibrėžiama būtent taip, kaip tu ir parašei.

      Tačiau yra ir kitokių temperatūros apibrėžimų. Vienas iš jų – statistinis, gaunamas būtent per dalelių pasiskirstymus energijos lygmenyse. Tam tikrais atvejais šitaip apibrėžta temperatūra nesiskiria nuo termodinaminės. Kadangi tokie atvejai buvo nagrinėti pirmiausiai, todėl ir sistemos būsena pavadinta „temperatūra“.

      Bet vėliau, nagrinėjant įvairias kitokias sistemas, ypač dirbtinai lazeriais sužadintas, paaiškėjo, kad jose dalelių pasiskirstymas gali būti visai kitoks. Ir jis gali būti aprašytas taip, tarsi sistema turėtų neigiamą temperatūrą.

      Niekas, išskyrus sensacijų besivaikančius žurnalistus (ir PR atstovus; dėl šito esi dalinai teisus), negalvoja, kad ta neigiama temperatūra kaip nors yra neigiama termodinamiškai. Bet pasakymas, kad pavyko sukurti stabilią invertuoto energijų skirstinio laisvų atomų sistemą neskambėtų gražiai ir būtų ilgesnis, nei pasakymas, kad pasiekta neigiama temperatūra. Taigi čia yra profesinis žargonas, ir tik paskui ateina PR ir žiniasklaida su sensacijomis.

      Beje, lazeriai, man atrodo, buvo naudojami ne nuolatiniam energijos suteikimui, o energetinio barjero aplink atomus sudarymui, kad sistema būtų stabilizuota.

      1. Na va ir išlindo tai, kad universitete giliau studijavau termodinamiką, o fizikos tebuvo tik pradmenys.

        1. O ką studijavai, jei ne paslaptis, kad termodinamikos (t.y. fizikos dalies) buvo daugiau, nei pačios fizikos? Kokią nors inžineriją?

  2. Ahem, vėl apėjus /. komentarus ir, šįkart, tenainas nurodytas vikinuorodas ir grįžus prie šito, fizikos jokios aišku niekad nestudijavus(nemuškit jeigu ką)…

    Jei dalelės nėra sukabintos į kokią kristalo gardelę, o gali lakstyti laisvai, jų energijos yra labai įvairios. Kai kurios dalelės vos juda, kitos zuja gerokai greičiau už vidurkį. Susiduria, greičiai pasikeičia(irgi sąveika, sakykim „fizinė“), bet vidutinė vertė, iš kurios galime apskaičiuoti temperatūrą, išlieka.

    Kvantuotoje sistemoje, net ir bendrai temperatūrai nesikeičiant, dalelės irgi sąveikauja – vienų „kvantų skaičius“ sumažėja, kitų padidėja(tarkim vienas kvantas nuo vienos dalelės peršoko ant kitos).

    Energiją tokioj sistemoj matuojam užliptų kvantinių laiptelių skaičium, vidutinį greitį/judesio kiekį – kvantiniais šuoliukais(maždaug).

    Temperatūra – tai judesio kiekis. Absoliutus 0 – kai judesio nebegali būti mažiau, begalybė – kai nebegali būti daugiau. Tarkim, paprastumo dėlei, galimi tik du lygmenys 1 ir 0. Kai visi 0 – judesio nėra, kai pasiskirstymas 50/50 – daugiau būti nebegali. Aukštesnės temperatūros kaitinant pasiekti nebegalima, tik lazeriniais, magnetiniais triukais. Ana pusė ir gavo neigiamas temperatūras.

    pvz
    paprastas – http://www.youtube.com/watch?v=sluANymi2Jo
    gražus – http://www.youtube.com/watch?v=f1YNyQqbiF0

    1. Iš esmės viską visai teisingai surašėte. Tik nelabai supratau, prie ko tie jūtūbės klipai? Nors ir gražūs.

    1. A, na tokią analogiją gal ir galima išvesti. Bet trimačio LED ekrano įjungtų švieselių skaičius nepriklauso nuo jokio parametro, kurį būtų galima pavadinti sistemos temperatūra :)

Leave a Reply

El. pašto adresas nebus skelbiamas. Būtini laukeliai pažymėti *