Много шума слышно в последнее время в научной блогосфере о недавнем эксперименте, в котором физики создали газ из квантовых частиц с отрицательной температурой – ниже абсолютного нуля. Это довольно странно, т.к. предполагается, что абсолютный ноль – это такая температура, при которой движение атомов прекращается, когда подвижные атомы в обычном состоянии, полностью останавливаются. По всей видимости, это холодно так, как только может быть холодно. Возможно ли, чтобы что-то было холоднее, чем это?
Вот краткий ответ. Можно создать отрицательные температуры. Фактически это было сделано впервые в 1951 году. Но это не то, как это звучит – эти температуры не холоднее абсолютного нуля. Например, вы не можете охлаждать, что-либо до тех пор, пока температура не упадёт ниже абсолютного нуля. На самом деле, как я постараюсь объяснить, объекты с отрицательной температурой ведут себя, как будто они теплее, чем объекты с любой положительной температурой.
Чтобы понять это, мы сначала должны узнать, что физики имеют в виду под температурой. Возможно, вы помните из школьного курса физики или химии, что температура измеряет среднюю кинетическую энергию движения частиц. Когда вы греете вещество, вы ускоряете его молекулы, а когда охлаждаете – замедляете их.
Это определение действительно имеет смысл, если мы можем “пощупать” это собственноручно, поэтому вот симулятор, где вы можете поиграть с молекулами газа. Включите “обогреватель” (Heater), а затем увеличьте или уменьшите нагрев (Heater temperature) и посмотрите, что происходит.
Пока что всё хорошо. Но физики поняли, что это определение температуры не всегда работает, потому что есть несколько типов энергии, кроме кинетической энергии движения. Есть ситуации, когда объект имеет энергию, но в обычном смысле никакого движения не происходит, как магнитные спины в магните, или единицы и нули на вашем жестком диске. Существуют квантовые системы, где вообще не имеет смысла говорить о движении, но вы, тем не менее, можете узнать, сколько энергии система имеет. Стало ясно, что физикам необходимы более фундаментальные определения температуры, чтобы освободить место для этих возможностей.
Вот новое определение, которое они придумали. Температура измеряет возможность объекта, отдавать энергию. По правде, я солгал. Это не то, как они на самом деле определили температуру, потому, что физики говорят на языке математики, а не на английском русском. Они определяют ее как пропорцию: 
, которая означает, что температура обратно пропорциональна наклону кривой энтропии по сравнению с энергией.
Теперь, если вы не говорите на “математическом”, я собираюсь открыть вам один маленький секрет. Вам не нужно знать математику или физику, чтобы понять, как работает температура. Вы можете использовать удивительно точную аналогию. Я впервые услышал её, будучи студентом, в отличном учебнике по теплофизике Даниеля Шрёдера.
Представьте себе мир, где люди непрерывно обмениваются деньгами для достижения счастья. Вероятно, это не то, что вам сложно вообразить. Но есть небольшой поворот.
Люди в этом обществе договорились, что они будут работать, на увеличение счастья – не просто своего собственного, а всеобщего счастья общества. Это имеет неожиданные последствия. Например, могут быть люди, которые становятся очень счастливыми, когда им удаётся заработать немного денег. Мы могли бы назвать их жадными. Другие люди не заботятся о деньгах – они становятся немного счастливее, когда зарабатывают какие-то деньги, и немного печальнее, когда теряют их. Эти люди щедры – играя по правилам игры, они обязаны отдавать деньги жадным людям, чтобы поднять всеобщее счастье общества.
Так почему же я изобретал эту социалистическую утопию с таким безудержным перераспределением доходов? Всё потому, что это близкий аналог к физике тепла. Как говорил Стивен Колбер: “Реальность, как известно, имеет либеральный уклон”.
Вот аналогия. Социалистическая коммуна – это то, что физики называют изолированной системой. Народ – объекты этой системы. Деньги, которыми они обмениваются – это энергия, общая сумма которой всегда сохраняется. Счастье – это энтропия. Так же, как общество хочет максимизировать счастье, физические системы действуют, чтобы максимизировать их суммарную энтропию. И наконец, щедрость – это температура – готовность людей (объектов), отдавать деньги (энергию).
Это сложно сразу уловить, поэтому вот удобный словарь, который позволяет переводить наши аналогии в реальную физику:
деньги = энергия
счастье = энтропия
щедрость = температура
Глядя на этот словарь, все, что мы говорим о нашей коммуне, переводится в физические утверждения.
Теперь представьте, что наше общество состоит из людей, как Уоррен Баффет. Вначале, когда они бедные, получение денег делает их очень счастливыми. Но, становясь богаче эта же сумма денег, не приносит им столько же счастья. Если вы построите график счастья этих Баффето-подобных людей в отношении с их богатством, он будет выглядеть примерно так:
В этом мире каждый доллар приносит вам меньше счастья, чем полученный прежде. Таким образом, чтобы повысить всеобщее счастье, богатые Баффеты должны давать деньги бедным Баффетам. Это мир, где люди становятся более щедрыми, как они получают деньги. Или система, чья температура повышается, когда она получает энергию.
Кривая Баффета описывает нормальные частицы, которые мы знаем и любим, чья температура поднимается, когда вы греете их. Это движущиеся атомы в твердых телах, жидкостях или газах.
Теперь, рассмотрим мир людей, которые скряги, как дядя Скрудж. Каждый доллар, который они зарабатывают делает их более счастливыми, чем предыдущий доллар.
В отличие от Баффетов, если богатые Скруджы будут отдавать деньги бедным Скруджам, это приведет к снижению общего счастья Скруджей. Иными словами, их щедрость уменьшается, поскольку они приобретают больше денег. Используя наш словарь, это система, в которой температура падает, когда она получает энергию.
Разжуйте эту мысль на мгновение. Может ли у вас быть объект, который становится холоднее, когда вы отдаете ему энергию?
Это действительно происходит, когда у вас есть тела, которые притягиваются друг к другу. Звезды удерживаются вместе под действием гравитации и ведут себя именно так. Когда звезда теряет энергию, её температура повышается. Отдайте звезде энергию, и вы фактически охладите её. Черные дыры ведут себя таким же странным образом – чем больше энергии вы им скормите, тем больше и холоднее они станут.
И если это не достаточно интуитивно для вас, вот еще один сценарий. Представьте мир людей достигших просветления — они становятся счастливее, когда теряют деньги.
В этом примере каждый доллар, который Далай-лама получает, делает его печальнее. Естественная тенденция, в таком случае – отдать все свои деньги, тому, кто готов принять их. Эта странно перевернутая кривая, в точности та ситуация, которая получается в результате отрицательных температур – просто переразметьте счастье в энтропию и деньги в энергию (математически, кривая имеет отрицательный наклон, поэтому она должна иметь отрицательные температуры).
Что происходит, когда объекты с отрицательной и положительной температурами встречаются? Чтобы выяснить это, представьте себе, что Далай-лама встретил Уоррена Баффета.
Парадоксально, но Далай-лама отдаст деньги миллиардеру, потому что потеря денег делает Далай-ламу счастливым, и получение денег сделает Уоррена Баффета тоже немножко счастливее. В этом странном обмене, всеобщее счастье растёт. Используя наш словарь, энергия переходит от объектов с отрицательной температурой к объектам с любой положительной температурой!
Это может звучать как что-то выдуманное, каким-то слишком рьяным теоретиком. Но есть реальные вещества, где кривая энтропии в отношении с энергией выглядит как кривая счастья Далай-ламы в отношении с деньгами, т.е. вещества с абсолютной отрицательной температурой.
Чтобы получить такое вещество, нужно спроектировать систему, которая имеет верхний предел энергии. Это очень редкая штука – нормальные, повседневные вещи, с которыми мы взаимодействуем, имеют кинетическую энергию движения, и не существует верхней границы, того сколько кинетической энергии вещество может иметь.
Системы с верхней энергетической границей не хотят находиться в высоком энергетическом состоянии. Так же, как Далай-ламу не устраивает много денег, эти системы имеют низкую энтропию, т.е. малую вероятность нахождения в высоком энергетическом состоянии. Вы должны экспериментально “обмануть” систему чтобы получить такое вещество.
Впервые это было сделано в гениальном эксперименте Пёрселла и Паунда в 1951 году, где им удалось обмануть спины ядер в кристалле фторида лития. В этом эксперименте, они поддерживали абсолютную отрицательную температуру в течение нескольких минут. С тех пор отрицательные температуры были получены во многих экспериментах, и совсем недавно воссозданы в совершенно иной сфере – ультрахолодные атомы квантового газа были получены в лазерной ловушке.
От черных дыр до квантового газа, эта аналогия показывает нам, что температура – это нечто более тонкое, чем то, что мы измеряем термометром.
Автор: Frolenarzt
