Абсолютный нуль — не предел!

Как бы невероятно это ни звучало, но факт остается фактом: ученым удалось преодолеть отметку абсолютного нуля температуры. Группа исследователей из Института квантовой оптики общества Макса Планка смогла охладить квантовый газ, состоящий из атомов изотопа калия-39, до температуры ниже абсолютного нуля по Кельвину (примерно ?273,15°C).

Как известно, температура – понятие довольно условное, она отражает среднюю энергию всех частиц рассматриваемого вещества. При этом энергия может быть высокой и низкой. При обычных для нас температурах подавляющее большинство частиц имеют низкую энергию. При повышении температуры доля высокоэнергетических частиц растет, а при планковской температуре (~10³² К) достигает ста процентов. Все это характерно для систем, находящихся в термодинамическом равновесии. Согласно третьему началу термодинамики, достижение абсолютного нуля, при котором энтропия системы равна нулю, а тепловые колебания частиц отсутствуют, невозможно.

Тем не менее, за последние годы научные знания несколько расширились: физикам-теоретикам удалось доказать, что в некоторых случаях распределение энергии частиц может быть обратным. В таких системах доля частиц с высокой энергией повышается с падением температуры, а не с ее ростом.

В ходе эксперимента ученые сначала охладили квантовый калиевый газ до температуры, близкой к абсолютному нулю, но частицы при этом все равно продолжали отталкиваться друг от друга. После этого на них воздействовали магнитным полем, в результате чего частицы стали притягиваться. Комбинация лазера и магнитных ловушек позволила стабилизировать частицы, что, согласно базовым принципам термодинамики, возможно лишь при абсолютном нуле. Последующее резкое изменение магнитного поля позволило достичь локального равновесия в неравновесной квантовой системе, что и трактуется учеными как скачкообразный переход к отрицательной абсолютной температуре.

Справедливости ради стоит сказать, что понятие отрицательной абсолютной температуры довольно условно и применимо лишь к некоторым квантовым системам с конечным числом уровней. Скорее, это все тот же абсолютный нуль, к которому ученым удалось приблизиться с отрицательной стороны.