Žemiau absoliučiojo nulio: fizikai atomams suteikė beprecedentį temperatūrinį būvį

Regis, absoliutusis nulis (0 kelvinų arba -273,15ºC) teoriškai yra žemiausia įmanoma temperatūra visatoje. Tačiau kvantų tyrėjai šią mintį yra linkę užginčyti. Miuncheno universiteto tyrėjai grupelę atomų vakuume lazeriais paveikė taip, kad tie atomai pasiekė minimalią teigiamos temperatūros ribą ir dėl entropijos pokyčių perėjo į „temperatūros antipasaulį“ – būvį, kuriame temperatūra žemesnė už absoliutųjį nulį. Bet apie viską iš eilės.

Žemiausią įmanomą temperatūrą pasiekusios medžiagos atomai netenka kinetinės energijos ir nustoja judėję (tokioje būsenoje entropija pasiekia žemiausias įmanomas vertes).

Juk negali būti nieko ramesnio už absoliučią rimties būseną, vadinasi, absoliutaus nulio temperatūroje energijos yra mažiausias įmanomas kiekis. Tiesa, mokslininkai pastebėjo, kad viskas yra ne visai taip. Vienoje sistemoje sumaišydami dideliu ir mažu energijos kiekiu pasižyminčius atomus, Miuncheno universiteto (Vokietija) mokslininkai sukūrė tai, kas vadinama neigiama temperatūros sistema – tokią, kurioje temperatūra skaičiuojama žemyn nuo absoliučiojo nulio.

Tokią sistemą mokslininkai apibūdina energijos kalvų (kalnų) ir slėnių sąvokomis. Esant absoliučiam nuliui, grupė atomų visiškai neturi energijos ir nejuda. Tokia atomų grupė atsidurtų įsivaizduojamo slėnio dugne. Temperatūrai kylant virš absoliučiojo nulio, situacija keičiasi, tik ne išsyk: kai kurios dalelė įgyja daug energijos, kai kurios – mažai. Dabar atomai turi skirtingus energijos kiekius ir minėtame slėnyje pasiskirstę įvairiai: daugiau energijos turintys atomai atsidūrę arčiau kalvos viršūnės.

Anot fizikų, entropiškiausias šios sistemos būvis susidaro tada, kai kiekviename šlaito taške būna po lygiai dalelių, ir tai yra teigiamos temperatūros skalės viršutinioji riba. Padidinkite tokios sistemos energiją (kad ir lazeriais – ką ir pamėgino padaryti tyrėjai) dar nors trupučiu, ir dalelės nebebus vienodai pasklidusios, todėl sistemos entropija pradės mažėti, ir kartu tai reikš, jog įžengta į neigiamos temperatūrinės sistemos būvį (detaliau aiškinama “New Scientist").

Esmė maždaug tokia: kai tam tikrą kiekį didelės energijos dalelių turite energijos „kalno“ viršūnėje, o didžioji dalis likusių sistemos dalelių yra slėnyje, jūs esate teigiamoje temperatūrinėje skalėje. Norėdami gauti teorinę priešingą, atvirkščią sistemą (neigiamą temperatūrinę sistemą), Miuncheno universiteto mokslininkai tokį modelį apvertė aukštyn kojom. Tokiu būdu daugiau energijos turinčių dalelių atsidūrė arčiau viršūnės, o ne slėnyje.

Portalo „New Scientist“ straipsnyje pripažįstama, kad „įsivaizduoti tokį termometrą būtų pakankamai keblu: skalė, prasidedanti nuliu, kyla iki plius begalybės, o paskui staiga peršoka į minus begalybę, ir jau joje neigiamais temperatūros įverčiais juda pirmyn, kol pasiekia neigiamą absoliutųjį nulį, kuriam esant visos dalelės turėtų būti energijos „kalno“ viršūnėje (teigiamo absoliutaus nulio atveju visi atomai susirenka ne viršūnėje, o slėnyje).“

Vargu ar bereikia sakyti, kad Žemėje normaliomis sąlygomis nieko panašaus nevyksta. Tad į neigiamos temperatūros pasaulį mokslininkai atomus nukėlė juos patalpindami į beveik absoliučiojo nulio temperatūrą, kai didžioji dauguma atomų turi labai mažai energijos. Tada lazeriais daugumą tokių „nurimusių“ atomų pakaitino ir „pastūmėjo“ energinio kalno šlaitu aukštyn, viršūnės link. Toks atvirkštinis energijos pasiskirstymas teoriškai ir yra neigiama temperatūrinė sistema.

Į tokią „kalno“ viršūnę užkelti atomai negali prarasti energijos ir „riedėti šlaitu žemyn“, nes kad tai įvyktų, reikėtų padidinti jų kinetinę energiją, o tai neįmanoma, kadangi sistema – vakuume ir nėra jokio išorinio energijos šaltinio. Tyrėjai sukūrė daugybę energijos turinčią sistemą, tačiau ją sudarančios dalelės negali perskirstyti tos energijos, tad yra priverstos likti energinio „kalno“ viršūnėje.

Šuolis į „temperatūrinį antipasaulį“ įdomus ne tik tuo, kad, regis, tokiu būdu pavyko prasigręžti pro žemiausią įmanomos temperatūros ribą, bet ir todėl, kad neigiamos temperatūrinės sistemos galėtų praversti fizikams atliekant kvantinės sąveikos eksperimentus (ir ne vien teigiamos temperatūros pasaulyje). Į „temperatūros antipasaulį“ pažvelgti įdomu ir dėl to, kad „pasaulio-antipasaulio“ precedentų jau yra konkrečiose kosmologinėse teorijose (pavyzdžiui, jose postuluojama, kad kiekviena dalelė turi savo antidalelę, taip pat yra regimoji visata ir kitokia – iš tamsiosios medžiagos sudaryta visata ir pan.). Kodėl panašių antidalykų negalėtų būti temperatūros pasaulyje?

   

Facebook komentarai