Мада теориjски ништа не може бити хладниjе од нула степени Келвинове скале, група немачких физичара је успела да направи и „негативну температуру“

Недавно је група истраживача са Универзитета „Лудвиг Максимилијан“ у Минхену, са доктором Урлихом Шнаjдером на челу, успела да први пут у лабораториjи добије гас атома чија је температура нижа од апсолутне нуле. Ово jе свакако важан тренутак за физичаре, пре свега због тога што теориjски ништа не може бити хладниjе од нула степени Келвинове скале.

Међутим, ниjе све баш тако jедноставно. Негативна температура није смрзнути гас на ком се хватаjу леденице као на ниским температурама са коjима се сусрећемо, већ нешто сасвим другачиjе. У питању су енергиjе честица датог система.

Али, пре свега, морамо разјаснити о којој скали говоримо кад причамо о негативној температури. Наиме, реченице као „вода мрзне испод 0◦C“ или „температура у планинским пределима данас достиже и -20◦C“ могу се прочитати у уџбенику из физике или чути у временскоj прогнози. Мора се напоменути да су ове температуре дате на Целзиjусовоj температурноj скали, коjа много чешће употребљава у свакодневном животу.

Физичари, међутим, уместо Целзијусове, користе Келвинову температурну скалу, чиjа се нула налази на -273,15 ◦C, где честице немаjу никакву енергиjу, односно не крећу се. Имаjући то у виду, наведена вест добиjа на значаjу.



ЛАСЕРСКО ХЛАЂЕЊЕ

Још 1848. године лорд Келвин jе осмислио температурну скалу на таj начин да не може постоjати температура мања од апсолутне нуле. Она представља теориjско стање у ком честице материjала немаjу никакву кинетичку енергиjу, а повећање температуре представља повећање средње вредности енергиjе кретања свих честица. Како је онда могуће да се било какве честице нађу у стању са негативном температуром у Kелвинима?

Како су др Шнајдер и његов тим у томе успели? Као систем користили су ултрахладан гас атома калиjума, на температури тек нешто изнад апсолутне нуле, у вакууму. Користећи ласере и магнетно поље, поставили су атоме у форму решетке у коjоj се они међусобно одбиjаjу. Ово представља систем у основном енергетском нивоу, на врло нискоj температури. Вакуум служи како би цео систем био енергетски изолован од околине.

Научници су потом веома брзо подесили магнетно поље тако да се честице међусобно привлаче, уместо да се одбиjаjу. Тиме су оне доведене из стања са минимумом енергиjе у високо енергетско стање пре него што успеjу да одреагуjу. Са позитивном температуром овакав скок би био веома нестабилан и атоми би се међусобно привукли. Међутим, систем ласера распоређуjе енергиjе тако да атоми остаjу на месту. Као резултат, гас атома прелази из стања са температуром изнад апсолутне нуле у стање са милиjардитим делом Kелвина испод апсолутне нуле.



ЧЕСТИЦЕ НА БРДУ

Цео експеримент се може обjаснити и на мало другачиjи начин. Већ смо рекли да на 0 ◦К честице гаса немаjу кинетичку енергиjу, односно мируjу. Повећањем температуре све већи броj честица добиjа вишу енергиjу и прелази у виша енергетска стања.

Преласком у више нивое, што очитавамо као раст температуре, повећава се степен неуређености система, односно ентропиjа. Како се гас загрева, повећава се средња енергиjа честица, па неке од њих добиjаjу много енергиjе, док друге добиjаjу мање.

Замислимо ову ситуациjу као jедно брдо, на коjе честице покушаваjу да се попну. Оне са више енергиjе ће стићи до врха, оне са мање ће се расподелити по падини, а биће и оних коjе су у долини.

Наjвиша могућа позитивна температура представља стање система са наjвећим степеном неуређености. То значи да су честице jеднако распоређене по нашем енергетском брду.

Даље смањење температуре би значило смањење ентропиjе, тj. поновно уређивање система. Дистрибуциjа енергиjе би била обрнута, са већим броjем честица на вишем енергетском нивоу (на врху брда) него у основном стању, чиме бисмо добили почетак негативне температурне скале.


ТАМНА СТРАНА

Гасови са негативном температуром могли би се показати као изузетан алат у рукама физичара. Хладни атоми се већ користе при симулациjи интеракциjа неких субатомских четица, а негативне температуре би могле показати неке догађаjе коjи су немогући на позитивним температурама.

Материjали са негативном температуром су jедно од могућих решења за високоефикасне моторе. Савладавању апсолутне нуле наjвише се ипак радуjу научници коjи се баве космолошким истраживањима.

Тамна енергиjа, за коjу се претпоставља да jе одговорна за ширење универзума има негативан притисак, што би као последицу могло да има негативну температуру.

Ово би могло да обjасни како, упркос гравитационоj сили коjа привлачи све честице међусобно, оне биваjу одбиjене као у Шнаjдеровом експерименту. Обjашњавање концепта тамне енергиjе и негативне температуре jе велики корак ка разумевању нашег универзума.



Tемпературу система увек очитавамо имаjући у виду вероватноћу да ће честице имати одређену енергиjу. У основном стању само се мали броj честица налази на вишим енергиjама. У теориjи, када би већина честица била на вишем енергетском нивоу, уместо на основном, апсолутна температурна скала би се обрнула са позитивне на негативну вредност и добили бисмо систем са температуром испод апсолутне нуле. Управо овако доктор Шнаjдер обjашњава идеjу из коjе jе потекао експеримент коjи jе извео заjедно са своjим тимом физичара.



http://elementarium.cpn.rs/elementi/ispod-apsolutne-nule/