За шкалою Цельсія, вигравіруваною на термометрах, взимку приймаються мінусові значення, але влітку ми були б здивовані, бачивши негативні значення. Ну, принаймні ті, хто менш знайомий з фізикою, можуть бути вражені, почувши, що ikus zicus опустився нижче абсолютного нуля градусів, тобто мінус 273,15 градусів Цельсія, або інакше нуля Кельвіна, хоча б на кілька хвилин. Це тому, що в школі вчили, що температура не нижча за нуль градусів за Кельвіном. Однак це спростували бравурний експеримент фізиків з Інституту квантової фізики Макса Планка в Гархінгу та Університету Людвіга Максиміліана в Мюнхені.
Лорд Кельвін визначив абсолютну температурну шкалу в XIX столітті, суть якої полягає в тому, що ніщо не може бути холоднішим за абсолютний нуль градусів, тобто мінус 273,15 градусів Цельсія. Температура речовини визначається рухом її частинок. Наприклад, чим швидше рухаються частинки газу, тим тепліший газ, повільніший рух, холодніший матеріал. При нулі Кельвінена (мінус 273,15 градусів Цельсія) рух частинок зупиняється. Однак у 1950-х роках фізики, які вивчали спеціальні системи, виявили, що це не завжди так: в принципі, можуть виникати ситуації, коли температура частинок нижче абсолютного нуля градусів.
У звичайних умовах більшість частинок рухаються із середньою або майже середньою енергією, і лише деякі частинки досягають більш високих рівнів енергії. Теоретично можлива зворотна ситуація, коли частинок у вищих енергетичних станах більше, ніж у нижчих. Для цього в системі також повинен бути стан максимальної енергії. У цьому випадку температура матеріалу може навіть опуститися нижче негативної абсолютної температури, пояснив у колонках Nature Ульріх Шнайдер, фізик Людвіга Максиміліана в Мюнхені. (Детальну публікацію про вимірювання можна знайти в Science.) За словами Андраса Корсаша, доцента кафедри фізики складних систем Університету Етвеша Лоранда, рівні енергії можуть конденсуватися в спеціальних системах під час максимального енергетичного стану і можуть виникати негативні температури . Дотепер це було відомо з теоретичних міркувань, але в експерименті важко виявити негативну температуру. Наші звичні методи та термометри були "винайдені" для позитивних температур. Оголошення німецьких дослідників є сенсаційним. Однак важливо, що температура нижче абсолютного нуля не вимірювалась безпосередньо, а виходила з кількох вимірюваних фізичних характеристик системи.
Шнайдер та його колеги експериментували з газом приблизно в сто тисяч атомів калію. Газ поміщали у вакуум для досягнення ідеальної теплоізоляції. Лазери та магнітні поля використовувались для підтримки гратчастого розташування кожного атома. І швидко змінюючи магнітні поля, атоми змушені були переходити від найнижчого енергетичного рівня до максимально можливого енергетичного рівня, поки лазерні промені утримували їх на місці. В результаті газ опустився на кілька тисячних мільйонів градусів за Кельвіном нижче абсолютного нуля. За словами Шнайдера, це все одно, що йти в долину, щоб за одну мить досягти вершини пагорба. Для таких швидких змін стабільний ядерний газ зазвичай руйнувався, але для запобігання колапсу використовували лазери.
Подальші пояснення явища ще не надійшли, але фізики вже дійшли вражаючих висновків. Якби речовина з негативною температурою піддавалася гравітації замість атомів, що рухаються вниз, деякі атоми піднімалися б нижче абсолютного нуля градусів, всупереч звичному закону гравітації. За допомогою атомів газу з особливими властивостями також можна було зрозуміти властивості темної енергії, що також пояснює прискорене розширення Всесвіту. В експерименті руйнуванню структури решітки запобігала негативна температура - не виключено, що з якихось подібних причин Всесвіт постійно розширюється, тоді як завдяки гравітаційним силам, навпаки, він повинен зменшуватися.
В принципі, теплові двигуни з ККД більше ста відсотків можуть бути створені з матеріалу з негативною негативною абсолютною температурою. На думку групи вчених, їх експеримент також не суперечить третьому закону термодинаміки - абсолютний нульовий ступінь довільно доступний, але недосяжний - оскільки вони не досягли, але перетнули абсолютний нульовий градус.