Раз сегодня два факта за день получилось, пусть второй будет небольшим #adventOfUniverse
День 15: температуры ниже нуля. Абсолютного нуля.
…более того, системы с такой температурой горячее любой теплой системы.
Наверняка вы слышали, что абсолютный ноль недостижим, а при приближении к нему все движение останавливается. Как же так может быть, что система оказывается ниже абсолютного нуля? Парадокс разрешается просто: утверждение про абсолютный ноль — про то, что ничто не может достичь его (а потому и опуститься ниже). Но никто не запрещает зайти с другой стороны.
То, что мы понимаем под температурой в бытовом смысле не соответствует ее термодинамическому определению (по крайней мере не всегда). Обычно мы думаем про температуру как про меру движения молекул (выше температура — быстрее бегают). Но в термодинамике она определяется иначе: это мера того, насколько изменится энтропия системы при добавлении к ней тепла/энергии (точнее, это будет обратная величина от температуры).
Посмотрим на квантовую систему, у которой есть разные уровни энергии (например, атом с электронами на разных оболочках). Обычно больше всего заполнены самые нижние уровни энергии, а высокие — пустые. Чем больше уровней заполнено, тем выше температура. Добавили энергии — заполнился новый уровень, температура выросла. А теперь представьте, что в этой системе есть самый высокий уровень, выше которого энергии некуда заполняться. Тогда по мере добавления энергии в систему, она будет освобождать нижние уровни и сокращать тем самым их количество. В этом случае температура системы становится отрицательной! Но при этом она выше самой высокой температуры в “обычной” системе.
То есть, в такой системе по мере нарастания энергии мы проходим от 0К…100К…1000К…+∞, а потом перескакиваем на -∞ (это когда нижние уровни начинают освобождаться) и температура продолжает расти: -∞…-1000К…-100К…0К. Таким образом мы обошли ноль вокруг (через бесконечность).
Вот такими вещами физики развлекаются на досуге! Не рассказывайте математикам.