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温度能降到绝对零度以下吗 原创 2018-03-25 袁耀 企鹅科学 科学家们描述了一个物理系统，它既在“绝对零度”之下，又在“绝对高温”之上。 供图： Myriams-Fotos，通过Pixabay检索获得 作者：Yuen Yiu；文章来源：AIP InsideScience 温度能降到绝对零度以下吗？到时会发生什么？它会像“吃豆人（Pac-Man）”游戏那样，从温度计量的另一个极端再冒出来，变得无限热吗？嗯，某种程度上，这个看似古怪的概念在现有物理学中是很常见的。 最近发表在《物理评论快报（Physical Review Letters）》上的一篇论文描述了一个系统，在这个系统中，“负温度”被用来解释了现实物理世界中一个奇怪但真实的现象。 但在了解温度如何发生这种诡异的颠倒之前，你需要重新学习一下温度的意义。 负温度比高温更热 多数人可能都在学校里学过，温度基本上可以理解为是衡量一个系统中粒子运动剧烈程度的指标：高温意味着粒子存在大量剧烈的震动，绝对零度则意味着粒子都绝对的静止。虽然这种解释也许能让你理解烤箱里的温度是如何产生的，但这并不是全部。 首先，温度不仅仅是系统中所有粒子的平均能量，它实际上与这些粒子的能量密度分布有关。现在请把一个个粒子想象成建筑物里的一块块砖，每个砖块的高度反映出这个粒子的能量高低。在低温下，这座建筑就会看起来像一个高度很低且底部肥大的金字塔。随着温度升高，这个金字塔就会长高和变瘦。这种趋势会随着温度的上升而持续下去，直至达到所谓的“绝对高温”——此时金字塔变成了一个没有粗细变化的柱状，从地面向天空无限延伸。这就是让事情开始变得怪异的地方。 一个温度为正的系统就像一个金字塔，其中每块砖代表一个粒子，砖块所处的高度代表该粒子的能量；随着温度升高，这个金字塔会演变成一根非常高的“柱子” 如果你能以某种方式让系统的温度比这种“绝对高温”再高一步，那么金字塔形状会瞬间再度出现，但这次它的形状会翻转过来——每一层包含了比下面更多的砖块，砖块在无限高的顶部会无限多。当这一切发生的时候，更奇怪的事情就会出现：“温度”这个用来描述 “金字塔”形状的参量，会变成负值！ 当系统的温度比“绝对高温”再高一步，这根无限高的“柱子”会瞬间变成倒金字塔状，处于高能态的粒子比低能态的粒子多，此时温度会变为负值 一个宽度不断扩大而且无限高的倒金字塔听起来可能太荒唐了，甚至让人连想都不敢想。这近似于是在说，负温度比无限高温还要热。但是，如果我们不再把粒子的能量看作没有上限的动能，负温度就会变成一个非常真实的参数，可以用来描述其他多种能量在一个物理系统内的分布。 “这不一定是传统意义上的温度，它拥有区别于通常意义的形式，此时不同温度的差别是用来衡量系统的能量分布特征，”在德国慕尼黑工作的路德维希大学的物理学家斯蒂芬·希尔伯特（Stefan Hilbert）说道，他没有参与这项研究。“例如，你可以创造出一种叫做‘粒子数反转’的系统——在这个系统中，会有更多的粒子处于较高能量的激发态，而能量较低状态的粒子反而更少。” 换句话说，只要将“金字塔”限制在有限的能量水平上，物理系统的粒子能量分布确实可以被反转过来。而这种机制的运作，在一个不起眼的激光笔里就能找到。 这种超前概念在现实世界中的应用 每次你在点亮激光笔时，就是在使用“粒子数反转”的魔力。原子被从低能级向更高的能级“泵浦（Pumped，意为向上抽调）”，然后它们会回落，并在这个过程中发出光芒。 现在，科学家们已经发现了操纵其他可激发的物理系统的方法。自旋——决定原子的磁力特性的本质——是负温度研究中最热门的话题之一。 “在激光器出现前，人们认为一团粒子中处于自旋激发态（较高能态）的数量不可能超过其总数的一半，因为这已经是自旋激发的‘最热’状态了”，论文的作者之一，在东京工作的国立情报学研究所的研究人员根本香惠（Nemoto Koe）说道。 但后来科学家们证明这并不正确。在他们的论文中，根本和同事们描述了一种特殊方式来构建自旋系统，这个系统中有一部分粒子的自旋分布更倾向于反转的状态。换句话说，与激光不同，这一系统中的原子不需要向高能量的“泵浦”过程，天然就有一部分可以自动向上流动。 “在激光器中，存在一定的粒子数反转，但这是一个不稳定的状态。你可以增加处于激发态的原子数，但原子并不会在这一状态长期维持”，论文的作者之一，日本电话电报公司的研究人员威廉·蒙罗（William Munro）说道。 根本、蒙罗和他们在崎玉的突发物质科学RIKEN中心（RIKEN Center for Emergent Matter Science）的同事滨祐介（Hama Yusuke），发现如果独立的两团原子共用一个恒温的原子储层，那么在持续一段时间后，它们最终并不一定达成平衡态。 当两团原子数量相当时，即便其中一团全部是高自旋状态，而另一团全部是低自旋状态，随着时间的推移，两团原子最终都会进入“中间态”，即一半处于自旋较高的状态，另一半处于自旋较低的状态。 但是，当两团原子的数量不同时，会发生一些奇怪的现象。例如，如果原子团A包含了比B更多的自旋，同时原子团A中所有的自旋都处于更高的状态，原子团B中所有的自旋都处于更低的状态，那么这两者的自旋并不会像激光器那样，全都向最低的状态演化。相反的，原子团B中的所有自旋都会流向更高的状态。换言之，原子团B更加倾向于发生粒子数反转的状态。这一启示在现代应用中普遍存在的磁性系统中会有重要的指导意义。 “负温度的概念对于解释许多物理系统的实验结果非常重要，特别是对于这些自旋系统”，希尔伯特说。 https://www.insidescience.org/news/system-so-cold-its-hot 美国物理联合会（AIP/American Institute of Physics）--InsideScience专栏独家供稿 |
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