НИЖЕ АБСОЛЮТНОГО НУЛЯ

Валерий Лебедев

Глубкоуважаемый Евгений Борисович, почтенные коллеги,

Недавно было сообщение о получении немцами температуры ниже абс. нуля. На атомах калия. Мне хотелось бы знать физический смысл этого. Что, прекращается не только хаотическое движение атомов, но они в узлах кристаллов перестают даже осциллировать? А как быть с третьим началом термодинамики?

Думаю, что достижение абсолютного нуля - 273 градуса невозможно. Есть третий закон термодинамики (Нернста) , который именно это утверждает. Ведь температура - это энергия движущихся частиц, при абсолютном нуле энергия равна нулю, движение останавливается. Третий закон термодинамики по общности такой же как 1-й и 2-й.
Может быть, опыты немцев можно истолковать как проявление квантовых флуктуаций температуры: какая-то часть атомов калия может виртуально уходить ниже абсолютного нуля на миллиардные доли градуса, но на время, которое нельзя зафиксировать.
Я понимаю так, что все эти абс. минусы есть своего рода формализм. Вроде бесконечномерного гильбертова пространства. В этом формализме и минус бесконечность температуры вводится. Да, от плюс бесконечности до минус (градусов). Хотя реально даже в плюсе есть предел, так наз. планковская температура. А вот каков физически смысл ниже абс нуля Кельвина? Этого я пока не уловил. Немцы что-то толкуют об отрицательной темной энергии, но пока об этом не будем.
Вот здесь:

http://lenta.ru/news/2013/01/04/subzero/

Quantum gas goes below absolute zero http://www.nature.com/news/quantum-gas-goes-below-absolute-zero-1.12146#/b1

http://phys.org/news/2013-01-atoms-negative-absolute-temperature-hottest.html

Ну и сама работа - в Science

http://www.sciencemag.org/content/339/6115/52

Евгений Борисович Александров

Здравствуйте, Valeriy Петрович,

Посылаю пояснение про "отрицательную" температуру.

Относительно статьи Quantum gas goes below absolute zero
Или что означает "отрицательная температура".

Температура - понятие термодинамическое и, строго говоря, применимо для характеристики ансамблей частиц, находящихся в термодинамическом равновесии. При этом температура характеризует среднюю энергию, равную kТ (потенциальную или кинетическую), приходящуюся на ту или иную степень свободы. Для одноатомного газа, находящегося в термодинамическом равновесии, температура однозначно характеризует распределение (Максвелловское) скоростей теплового движения. Такое распределение, в частности, приводит к барометрической формуле. Для классического газа нулевая температура соответствует нулевой кинетической энергии. В этом смысле температура отрицательной быть не может. Тепловое распределение отвечает так называемой Е-теореме Больцмана, которая определяет вероятность р(Т) обладания частицей энергии Е при температуре Т: р(Т) = Сexp(-Е/kT), где С - нормировочная константа. Если понятие температуры условно применять к неравновесным системам, то такая "температура" может принимать любое значение от + до - бесконечности. В пятидесятые годы 20 века в период создания мазерно-лазерной техники было модно говорить об отрицательной температуре усиливающей среды, т.е., среды с инверсией населённостей по состояниям с разной потенциальной энергией.

Так, если есть система с двумя энергетическими уровнями Е0=0 и Е1, то по теореме Больцмана населённость верхнего состояния N1 выражается через населённость нижнего состояния N0 при тепловом равновесии так:
N1 = N0exp(-E1/kT) (при нормировке N1+N0 =NS)
Т.е., N1ЈN0 при любой температуре. При бесконечной температуре населённости выравниваются, а при нулевой температуре система "вымерзает" - заселено только нижнее состояние. Такая двухуровневая система способна поглощать лучистую энергию на частоте перехода n=E1/h, причём коэффициент поглощения зависит от температуры. При бесконечной температуре населённости выравниваются, и система становится прозрачной.

Искусственными методами можно осуществить инверсию населённостей, когда N1&gt-N0.
Такая система будет усиливать излучение (мазер, лазер). Инверсия невозможна в условиях теплового равновесия, поэтому такую систему можно описывать температурой только условно, чисто формально описывая соотношение населённостей теоремой Больцмана. И такая условная температура будет формально отрицательной. Никакой физики тут вообще нет, чистая игра терминами. От этой игры уже 60 лет как отказались. Но вот теперь вспомнили в эпоху главенства PR в науке. Новость в этой статейке состоит только в том, что эта же глупость про отрицательную температуру применена к "квантовому" газу, т.е. дико охлаждённому (в обычном смысле), когда возмо

жна Бозе-Эйнштейновская квантовая конденсация. И больше ничего! В качестве уровней энергии использованы зеемановские уровни расщепления состояния атомов во внешнем магнитном поле. В равновесии атомы занимают нижний уровень при очень низкой температуре. Если после этого инвертировать направление магнитного поля, то нижний уровень становится верхним, а населённость этого уровня некоторое время сохраняется, пока не восстановится новое тепловое равновесие. Так получается инверсия населённостей, которую можно для красоты описывать отрицательной температурой. Никакого смысла во всём этом нет - чистая реклама.

Ростислав Полищук:

Валерий, что касается отрицательной температуры, то это просто инверсная населённость энергетических уровней. Вакуумы бывают разные. Кроме электроники есть ещё спинтроника. Изотропное положение множества неподвижных карандашей энергетически менее выгодно, чем при этом ориентация их всех в одну сторону. Электрический ток в виде движение электронов с параллельными спинами отличен от тока при их движения с разными спинами. А электронов и прочих частиц, строго говоря, не существует, но существует многочастичное (в том числе одночастичное) состояние единой физической системы, которую мы разлагаем в набор взаимодействующих частиц. Вот и разные вакуумы суть разные состояния физической системы, и некоторые инверсные состояния вакуума можно описывать введением отрицательной температуры. Существует понятие и "ложного вакуума", но вакуум как абсолютная геометрическая пустота запрещён квантовой механикой: в нём геометродинамическая координата системы и координата импульса системы имеют определённое (нулевое) значение, что запрещено принципом неопределённостей. Из абсолютного ничто что-то может произойти только в догмате Всемогущей Воли Творца. Но этот догмат не принимает буддизм как самая древняя мировая религия, а истины - не в выборе одного догмата (в том числе образа Ничто или вакуума), но в переходе к спектральной картине реальности.
Стива