Абсолютный ноль, –273,15 градуса Цельсия, кажется непреодолимым барьером мироздания. Согласно третьему закону термодинамики, его невозможно достичь, так как для этого потребовалось бы бесконечно много энергии для извлечения последних крох тепла из вещества. Но что, если мы скажем, что существует способ не просто достичь этой точки, но и перейти её, оказавшись в области отрицательных абсолютных температур? Звучит как научная фантастика, однако это реальное физическое явление, которое заставляет пересмотреть само определение температуры.
Чтобы понять этот парадокс, нужно уйти от привычного нам понимания температуры как меры «нагретости». В классической термодинамике температура связана с движением молекул: чем они быстрее, тем горячее объект. В состоянии покоя наступает абсолютный ноль. Однако в квантовых системах, таких как совокупность атомов в мощном магнитном поле, температура определяется не только кинетической энергией, но и распределением частиц по энергетическим уровням. Представьте себе лестницу: на нижних ступенях частицы обладают меньшей энергией, на верхних — большей. При обычной положительной температуре большинство частиц находятся на нижних ступенях, и лишь некоторые поднимаются выше под воздействием тепла.
«Отрицательная» температура возникает, когда происходит инверсия населённостей: большинство частиц искусственным образом помещаются на верхние энергетические уровни, а нижние остаются практически пустыми. Такую ситуацию можно создать, резко изменив внешние условия, например, поменяв направление магнитного поля, в котором находятся атомы. В этот момент система формально оказывается в состоянии с отрицательной абсолютной температурой по шкале Кельвина.
Самое удивительное, что система с отрицательной температурой горячее, чем любая система с положительной температурой. Если привести её в контакт с «обычным» горячим объектом, тепло будет перетекать от отрицательной системы к положительной, а не наоборот. С точки зрения термодинамики, она находится «за» бесконечной температурой на энергетической шкале. Это становится понятнее, если взглянуть на формулу, где температура часто фигурирует в знаменателе. При стремлении температуры к абсолютному нулю снизу (от положительных значений) величина 1/Т устремляется к бесконечности. При переходе через ноль в отрицательную область величина 1/Т меняет знак и начинает возрастать от минус бесконечности. Таким образом, отрицательная температура в –1 Кельвин «теплее», чем –2 Кельвина, а –0.001 Кельвин невообразимо «горячее» любой положительной температуры.
На практике такие состояния крайне нестабильны и могут существовать лишь в изолированных квантовых системах, например, в ультрахолодных атомных газах в магнитных ловушках или в спиновых системах кристаллов. Именно в таких условиях в 1951 году физики впервые экспериментально наблюдали отрицательную абсолютную температуру. Сегодня исследования в этой области продолжаются, вызывая споры. Некоторые учёные рассматривают такие системы как экзотические фазы материи, в то время как другие настаивают, что понятие температуры здесь используется в специфическом, формальном смысле, и речь идёт скорее о неравновесных состояниях.
Таким образом, «температура ниже абсолютного нуля» — это не открытие новой ступени холода, а обнаружение принципиально иного режима существования материи, где привычные правила переворачиваются с ног на голову. Это состояние бросает вызов нашей интуиции, напоминая, что на фундаментальном уровне природа гораздо страннее и богаче, чем кажется. Оно служит ярким примером того, как квантовая физика расширяет границы возможного, предлагая заглянуть в мир, где «холоднее» может означать «горячее всего на свете».
