Σε συστήματα με θετικές θερμοκρασίες η προσθήκη ενέργειας αυξάνει και την αταξία. Για παράδειγμα, θερμαίνοντας ένα κρύσταλλο πάγου τον μετατρέπουμε σε υγρό με περισσότερη αταξία.
Αν αφαιρείτε συνεχώς ενέργεια, θα πλησιάζετε συνεχώς στο απόλυτο μηδέν στην κλίμακα Κelvin, όπου η ενέργεια του συστήματος και η εντροπία είναι σε ένα ελάχιστο όριο.
Τα συστήματα με αρνητική απόλυτη θερμοκρασία έχουν την αντίθετη συμπεριφορά. Η προσθήκη ενέργειας μειώνει την αταξία τους, και ως εκ τούτου τη θερμοκρασία τους.
Το φαινόμενο είναι κβαντικό και εμφανίζεται κάτω από ειδικές συνθήκες σε συστήματα όπου περιέχουν περισσότερα άτομα σε καταστάσεις υψηλής ενέργειας, απ’ ότι σε καταστάσεις χαμηλής ενέργειας.*
Μέχρι στιγμής, τέτοιες καταστάσεις είχαν πραγματοποιηθεί σε εντοπισμένα συστήματα με πεπερασμένα και διακριτά φάσματα, όπως τα συστήματα πυρηνικού σπιν (A Nuclear Spin System at Negative Temperature, Pursell & Pound, 1951).
Πρόσφατα όμως ερευνητές από το Πανεπιστήμιο του Μονάχου στη Γερμανία δημοσίευσαν μία εργασία με τίτλο «Negative Absolute Temperature for Motional Degrees of Freedom», όπου περιγράφουν την επίτευξη στο εργαστήριο αρνητικών θερμοκρασιών για συστήματα με βαθμούς ελευθερίας κίνησης.
Απόλυτο μηδέν
Το απόλυτο μηδέν είναι η θερμοκρασία στην οποία η εντροπία φθάνει στην ελάχιστη τιμή της. Σύμφωνα με τους νόμους της κλασικής Θερμοδυναμικής, το απόλυτο μηδέν δεν μπορεί να επιτευχθεί (ακριβώς) με τεχνητά ή φυσικά μέσα, αφού κάτι τέτοιο απαιτεί ένα σύστημα πλήρως απομονωμένο από το υπόλοιπο σύμπαν.
Ένα σύστημα, θεωρητικά, στη θερμοκρασία του απόλυτου μηδενός κατέχει μηδενικού επιπέδου μηχανική ενέργεια. Παρόλο που η μοριακή κινητική ενέργεια δεν μηδενίζεται εντελώς στη θερμοκρασία αυτή, το σύστημα δεν έχει πλέον αρκετή ενέργεια να μεταβιβάσει σε άλλα συστήματα. Γι' αυτό η σωστή έκφραση είναι ότι στο απόλυτο μηδέν η μοριακή ενέργεια είναι η ελάχιστη δυνατή (αλλά όχι ακριβώς μηδενική).
Με διεθνή συμφωνία, το απόλυτο μηδέν ορίστηκε ως ακριβώς -273.15°C και -459.67°F. Παρόλο που θεωρητικά δεν είναι δυνατό να ψυχθεί οποιαδήποτε ουσία ακριβώς στους 0°Κ, επιστήμονες έχουν παρουσιάσει σπουδαία επιτεύγματα πλησιάζοντας πολύ το απόλυτο μηδέν, όπου η ύλη εμφανίζει κβαντικά φαινόμενα όπως η υπεραγωγιμότητα και η υπερρευστότητα.
Αιωρούμενα άτομα
Στο απόλυτο μηδέν, τα άτομα υποτίθεται ότι έχουν μηδενική ενέργεια και παραμένουν εντελώς ακίνητα. Από τεχνική άποψη όμως, αυτό δεν ισχύει πάντα. Στην πράξη, τα άτομα ενός υλικού δεν έχουν όλα την ίδια ενέργεια ταυτόχρονα. Σε κανονικές συνθήκες, τα περισσότερα άτομα έχουν ενέργεια κοντά στο μέσο όρο, ορισμένα όμως μπορεί να βρίσκονται σε υψηλότερα επίπεδα ενέργειας.
Όπως εξηγούν οι συγγραφείς της νέας μελέτης, οι θερμοκρασίες κάτω από το απόλυτο μηδέν εμφανίζονται όταν συμβαίνει το αντίθετο, όταν δηλαδή τα περισσότερα άτομα ενός υλικού έχουν ενέργεια πάνω από το μέσο όρο (συγκεκριμένα, οι θερμοκρασίες αυτές εμφανίζονται σε υλικά των οποίων τα άτομα ακολουθούν μια ανεστραμμένη κατανομή Boltzmann).
Για να πετύχουν τις αρνητικές θερμοκρασίες, οι επιστήμονες τοποθέτησαν άτομα καλίου σε έναν θάλαμο κενού και τα κατέψυξαν σε θερμοκρασία μερικών δισεκατομμυριοστών πάνω από το απόλυτο μηδέν. Επιπλέον, σταθεροποίησαν τα άτομα στη θέση τους χρησιμοποιώντας μαγνητικά πεδία και δέσμες λέιζερ.
Σε αυτή την κατάσταση, τα άτομα απωθούσαν το ένα το άλλο. Μια απότομη αλλαγή του μαγνητικού πεδίου, όμως, τα έκανε ξαφνικά να έλκονται και να εκτινάσσονται απότομα στη μέγιστη ενεργειακή τους κατάσταση. Ο κατάλληλος χειρισμός των λέιζερ εμπόδισε τα άτομα να καταρρεύσουν το ένα πάνω στο άλλο, δηλαδή τα κράτησε ακίνητα καθώς η τάση τους για ταλάντωση μεγιστοποιούνταν.
Η κατάσταση αυτή, αναφέρει η ερευνητική ομάδα, αντιστοιχεί στη μετάπτωση ενός σώματος από θερμοκρασίες λίγο πάνω από το απόλυτο μηδέν σε αρνητικές θερμοκρασίες μερικά δισεκατομμυριοστά του ενός βαθμού Κέλβιν κάτω από το απόλυτο μηδέν.
Οι θερμοκρασίες κάτω από το απόλυτο μηδέν μπορούν να θεωρηθούν ως θετικές θερμοκρασίες που ξεπερνούν το άπειρο. Η κατάσταση του αερίου που δημιούργησαν οι ερευνητές δεν είναι πιο ψυχρή από μηδέν Κέλβιν. Είναι θερμότερη (!). Είναι θερμότερη ακόμα και από οποιαδήποτε θετική θερμοκρασία: η κλίμακα θερμοκρασιών δεν σταματά στο άπειρο, αλλά αντίθετα πηδά σε αρνητικές τιμές.
Παράδοξα συμπεράσματα
Το αλλόκοτο επίτευγμα βρίθει από διάφορα παράδοξα συμπεράσματα: για παράδειγμα, μπορεί κανείς να θεωρήσει ότι ένα σώμα με θερμοκρασία κάτω από το απόλυτο μηδέν είναι στην πραγματικότητα πιο καυτό από ένα αντικείμενο με άπειρη θερμοκρασία.
Επιπλέον, οι θερμοκρασίες κάτω από το απόλυτο μηδέν θα επέτρεπαν θεωρητικά τη δημιουργία θερμικών μηχανών με απόδοση μεγαλύτερη από 100%, κάτι που φαίνεται αδύνατο. Οι μηχανές αυτές ουσιαστικά θα παρήγαγαν μηχανικό έργο απορροφώντας θερμότητα όχι μόνο από τα θερμότερα σώματα αλλά και από τα ψυχρότερα.
Οι αρνητικές θερμοκρασίες είναι πιθανότερο να προσελκύσουν το ενδιαφέρον των κοσμολόγων, καθώς παρουσιάζουν ορισμένες ομοιότητες με τη λεγόμενη «σκοτεινή ενέργεια», μια μυστηριώδη δύναμη που δρα αντίθετα από τη βαρύτητα και αναγκάζει το Σύμπαν να επιταχύνεται με ολοένα αυξανόμενη ταχύτητα.
Η σκοτεινή ενέργεια μπορεί να συνδέεται με τις αρνητικές θερμοκρασίες επειδή τα άτομα ενός υλικού σε αρνητική θερμοκρασία εμφανίζουν αρνητική πίεση η οποία τα εμποδίζει να πλησιάσουν το ένα το άλλο. Κάτι τέτοιο απαιτεί και η επιταχυνόμενη διαστολή του σύμπαντος.
Πηγές
Physicsgg
ΤΟ ΒΗΜΑ
Wikipedia
NewScientist
0 σχόλια :
Δημοσίευση σχολίου
Οι όροι χρήσης που ισχύουν για τη δημοσίευση των σχολίων, έχουν ως εξής:
- Σχόλια τα οποία είναι υβριστικά ή περιέχουν χαρακτηρισμούς ή ανώνυμες καταγγελίες που δεν συνοδεύονται από αποδείξεις θα αφαιρούνται από τα Προμαχιώτικα Νεα .
- Τα Προμαχιώτικα Νέα διατηρούν το δικαίωμα να αφαιρέσουν οποιοδήποτε σχόλιο θεωρούν ότι εμπίπτει στις παραπάνω κατηγορίες.
- Τα Προμαχιώτικα Νέα δεν παρεμβαίνουν σε καμία περίπτωση για να αλλοιώσουν το περιεχόμενο ενός σχολίου.
- Τα σχόλια αναγνωστών σε καμιά περίπτωση δεν αντιπροσωπεύουν τα Προαχιώτικα Νέα.
- Με την αποστολή ενός σχολίου αυτόματα αποδέχεστε τους όρους χρήσης .
H συντακτική ομάδα των Προμαχιώτικων Νέων.