Υπερψυχρό αέριο θέτει ρεκόρ θερμοκρασίας στην κλίμακα Κέλβιν.

Διεγείροντας ένα αέριο σε αρνητική θερμοκρασία στην κλίμακα Κέλβιν, παραδόξως παρήγαγε την υψηλότερη θερμοκρασία που έχει καταγραφεί.  Η μελέτη που δημοσιεύθηκε στις 4 Ιαν. 2013 στο Science  θα βοηθήσει τους φυσικούς να μάθουν περισσότερα για τα κβαντικά φαινόμενα και ίσως ακόμα για την παράξενη μορφή ενέργειας που κυριαρχεί στο σύμπαν.

Μια αρνητική θερμοκρασία Κέλβιν δείχνει ότι τα σωματίδια σε υψηλές ενέργειες υπερτερούν σε αριθμό αυτών που είναι σε χαμηλές ενέργειες.

Η Achim Rosch, μια φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Κολωνίας στη Γερμανία, που δεν συμετείχε στην εν λόγω έρευνα αναφέρει:

Έχουμε συνηθίσει σε θετικές θερμοκρασίες. Αλλά δεν υπάρχει τίποτα απαγορευτικό στις αρνητικές θερμοκρασίες. Είναι πάντα συναρπαστικό να κάνει κάποιος κάτι ασυνήθιστο.

Η θερμοκρασία συνήθως ερμηνεύεται ως ένα μέτρο της μέσης ενέργειας των σωματιδίων σε ένα δείγμα.  Κάθε ένα από τα μόρια που “βουίζουν” σε μια κατσαρόλα με καυτό νερό, για παράδειγμα, έχει περισσότερη ενέργεια κατά μέσο όρο από ένα “τεμπέλικο” μόριο νερού σε ένα παγάκι.

Αλλά για τους επιστήμονες που μελετούν την ύλη σε κβαντικές κλίμακες, η θερμοκρασία ορίζεται καλύτερα ως η ενεργειακή κατανομή των σωματιδίων σε ένα δείγμα.  Λίγο πάνω από το απόλυτο μηδέν (0 Κέλβιν ή -273^ο Κελσίου), όλα σχεδόν τα σωματίδια σε ένα δείγμα έχουν ενέργειες πολύ κοντά στο μηδέν, με μικρή διακύμανση.  Αλλά καθώς η θερμοκρασία αυξάνει, η διακύμανση των ενεργειών διευρύνεται.  Βέβαια κάποια σωματίδια έχουν ακόμα πολύ μικρές ενέργειες αλλά τα περισσότερα είναι σε υψηλότερα ενεργειακά επίπεδα.

Ο φυσικός Ulrich Schneider στο πανεπιστήμιο Ludwig Maximilians του Μονάχου έθεσε ως στόχο να κάνει κάτι ασυνήθιστο:  Ήθελε να διεγείρει τα σωματίδια σε μια ουσία έτσι ώστε να περιοριστούν σε μια πολύ υψηλή τιμή ενέργειας.  Με άλλα λόγια, αντί τα σωματίδια να ξεκινούν από μια ελάχιστη ενέργεια (που αντιστοιχεί στο απόλυτο μηδέν) και να εξαπλώνονται προς υψηλότερες ενέργειες, ήθελε να ξεκινήσουν από μια μέγιστη ενέργεια και να εξαπλώνονται προς χαμηλότερες ενέργειες.  Εξ’ ορισμού, μια τέτοια ουσία θα είχε αρνητική θερμοκρασία Κέλβιν.

Η ομάδα του το κατάφερε αυτό με άτομα καλίου που ψύχθηκαν σε μερικά δισεκατομμυριοστά Κέλβιν πάνω από το μηδέν.  Μέσω της χρήσης λέιζερ και μαγνητών, η ομάδα κατάφερε να διεγείρει τα ατόμα και να μεταβούν σε μια κατάσταση υψηλής ενέργειας.  Δημιουργώντας ένα σύμπλεγμα σωματιδίων που βρίσκονται αποκλειστικά σε υψηλές ενέργειες, ο Schneider και οι συνεργάτες του είχαν ένα αέριο σε θερμοκρασία λίγων δισεκατομμυριοστών αρνητικών Κέλβιν.

Τεχνικά, η θερμοκρασία αυτή δεν είναι κάτω του απολύτου μηδενός, διότι αρνητική τιμή στην κλίμακα Κέλβιν (σε αντίθεση με τις κλίμακες Φαρενάιτ και Κελσίου) είναι μια κατασκευή που απλά δηλώνει κάτι για την ενεργειακή κατάσταση των εν λόγω σωματιδίων.  Στην πραγματικότητα, αυτή η νέα δημιουργία είναι εξαιρετικά καυτή, λόγω των υψηλών ενεργειών των σωματιδίων.  Για την ακρίβεια ο Schneider αναφέρει:

Είναι πραγματικά θερμότερο από ο,τιδήποτε γνωρίζουμε.

Παρά την εμπλεκόμενη σημασιολογία, αυτό το πείραμα δεν είναι απλά ένα διασκεδαστικό τέχνασμα φυσικής.  Οι επιστήμονες είναι γοητευμένοι από τις ουσίες αρνητικών θερμοκρασιών διότι έχουν άλλες παράξενες ιδιότητες.  Τα μόρια σε ένα τυπικό αέριο απλώνονται και ασκούν μια δύναμη στα τοιχώματα του δοχείου τους.  Αλλά μια ουσία αρνητικής θερμοκρασίας έχει επίσης αρνητική πίεση, που σημαίνει ότι τα σωματίδια τείνουν να μαζευτούν παρά να απλωθούν.  “Θέλει να καταρρεύσει σε ένα μοναδικό σημείο”, αναφέρει ο Schneider.

Η αρνητική πίεση μπορεί να είναι σημαντική και σε ένα άλλο κομμάτι του σύμπαντος τις Φυσικής.  Οι κοσμολόγοι πιστεύουν ότι η σκοτεινή ενέργεια, η μυστηριώδης οντότητα που προκαλεί την επιταχυνόμενη διαστολή του σύμπαντος, έχει επίσης αρνητική πίεση.  O Schneider πιστεύει ότι ο πειραματισμός με το κβαντικό φαινόμενο της αρνητικής θερμοκρασίας μπορεί να αποκαλύψει τη φύση της σκοτεινής ενέργειας στο σύμπαν.

Πηγή
ScienceNews (Andrew Grant)

Παραπομπές
[1] S. Braun et al. Negative Absolute Temperature for Motional Degrees of Freedom. Science. Vol. 339, January 4, 2013, p. 52. doi:10.1126/science.1227831. (Μετάβαση)
[2] A.Rapp, S. Mandt and A. Rosch. Equilibration rates and negative absolute temperatures for ultracold atoms in optical lattices. Physical Review Letters. Vol. 105, November 26, 2010, 220405. (Μετάβαση)