Ультрахолодный газ установил новый рекорд температуры

Физики, доведя газ до отрицательной температуры по шкале Кельвина, как ни парадоксально, замерили самую высокую температуру. Новое исследование поможет физикам больше узнать о квантовых явлениях и, возможно, даже о странных формах энергии, которые преобладают во Вселенной.

Отрицательная температура по Кельвину указывает, что частиц больше при высоких энергиях, чем при низких энергиях. "Мы привыкли использовать положительные температуры", говорит Ахим Рош, физик из университета Кельна в Германии, который не участвовал в исследовании. "Но нет ничего запретного в использовании отрицательных температур. Это всегда интересно сделать что-то необычное". Температура обычно расшифровывается как мера средней энергии частицы в образце. Каждая из молекул, перемещающася, например, в кастрюле с кипящей водой, имеет больше энергии, чем в среднем медленно перемещающиеся молекулы воды в ледяном кубе.

Но для учёных, которые изучают вопрос в масштабах квантов температуру лучше определять, как энергию частиц, распределяющуюся в образце. Чуть выше абсолютного нуля (0 К, или -273⁰ по Цельсию), почти все частицы в образце имеют энергии очень близкие к нулю, с небольшим изменением. Но по мере повышения температуры, изменение энергии увеличивается - некоторые частицы все ещё обладают очень малыми энергиями, а у других её больше.

Физик Ульрих Шнайдер из Университета Людвига Максимилиана в Мюнхене решил сделать нечто необычное: он захотел подтолкнуть частицы в веществе использовать очень большое количество энергии. Другими словами, вместо того, чтобы частицы, использующие минимум энергии (соответствующий абсолютному нулю), увеличивали потребление в сторону высоких энергий, он решил начать с максимальной энергии и распространяться в сторону меньших энергий. По определению, такое вещество будет иметь отрицательную температуру Кельвина.

Его команда добилась того, что атомы калия охладились до нескольких миллиардных Кельвина выше абсолютного нуля. Благодаря использованию лазеров и магнитов, команде удалось получить атомы, способные перейти к высокому энергетическому состоянию. При создании скопления частиц исключительно при высоких энергиях, Шнайдер и его коллеги получили газ, температура которого на несколько миллиардных отрицательнее по шкале Кельвина.

Эта температура является технически не ниже абсолютного нуля, потому что отрицательная температура по шкале Кельвина (в отличие от шкалы Фаренгейта или Цельсия) представляет собой концепцию, которая просто указывает на энергетическое состояние частиц. В самом деле, новый газ очень горячий из-за высоких энергий частиц. "Тепло распостраняется от горячего к холодному, и оно будет всегда течь от этого газа. Это на самом деле горячее, чем всё, что мы знаем.",- говорит Ульрих Шнайдер.

Несмотря на игру слов, этот эксперимент не просто удивительный физический фокус. Ученых приводят в восторг вещества с отрицательной температурой, потому что они имеют странные свойства. Молекулы в обычном газе распространяются и оказывают воздействие на стенки контейнера. Но в отрицательной температуре газ имеет отрицательное давление, то есть частицы, как правило, будут сужаться, а не расширяться. "Xотелось бы поместить их в одну точку", говорит Шнайдер.

Отрицательное давление может быть важным в другой области физики: космологи считают, что тёмная энергия, таинственная сущность, которая заставляет Вселенную ускоренно расширяться, также имеет отрицательное давление. Шнайдер предполагает, что эксперименты с квантовым явлением отрицательной температуры поможет раскрыть природу тёмной энергии в космосе.