溫度能降到絕對零度以下嗎？一個溫度為「負」的系統，其實很熱

科學家們描述了一個物理系統，它既在「絕對零度」之下，又在「絕對高溫」之上。

供圖： Myriams-Fotos，通過Pixabay檢索獲得

作者：袁耀（Yuen Yiu）；文章來源：AIP InsideScience

溫度能降到絕對零度以下嗎？到時會發生什麼？它會像「吃豆人（Pac-Man）」遊戲那樣，從溫度計量的另一個極端再冒出來，變得無限熱嗎？嗯，某種程度上，這個看似古怪的概念在現有物理學中是很常見的。

最近發表在《物理評論快報（Physical Review Letters）》上的一篇論文描述了一個系統，在這個系統中，「負溫度」被用來解釋了現實物理世界中一個奇怪但真實的現象。

但在了解溫度如何發生這種詭異的顛倒之前，你需要重新學習一下溫度的意義。

負溫度比高溫更熱

多數人可能都在學校里學過，溫度基本上可以理解為是衡量一個系統中粒子運動劇烈程度的指標：高溫意味著粒子存在大量劇烈的震動，絕對零度則意味著粒子都絕對的靜止。雖然這種解釋也許能讓你理解烤箱里的溫度是如何產生的，但這並不是全部。

首先，溫度不僅僅是系統中所有粒子的平均能量。它實際上與這些粒子的能量密度分布有關。現在請把一個個粒子想像成建築物里的一塊塊磚，每個磚塊的高度反映出這個粒子的能量高低。在低溫下，這座建築就會看起來像一個高度很低且底部肥大的金字塔。隨著溫度升高，這個金字塔就會長高和變瘦。這種趨勢會隨著溫度的上升而持續下去，直至達到所謂的「絕對高溫」——此時金字塔變成了一個沒有粗細變化的柱狀，從地面向天空無限延伸。這就是讓事情開始變得怪異的地方。

如果你能以某種方式讓系統的溫度比這種「絕對高溫」再高一步，那麼金字塔形狀會瞬間再度出現，但這次它的形狀會翻轉過來——每一層包含了比下面更多的磚塊，磚塊在無限高的頂部會無限多。當這一切發生的時候，更奇怪的事情就會出現：「溫度」這個用來描述 「金字塔」形狀的參量，會變成負值！

一個寬度不斷擴大而且無限高的倒金字塔聽起來可能太荒唐了，甚至讓人連想都不敢想。這近似於是在說，負溫度比無限高溫還要熱。但是，如果我們不再把粒子的能量看作沒有上限的動能，負溫度就會變成一個非常真實的參數，可以用來描述其他多種能量在一個物理系統內的分布。

「這不一定是傳統意義上的溫度，它擁有區別於通常意義的形式，此時不同溫度的差別是用來衡量系統的能量分布特徵，」在德國慕尼黑工作的路德維希大學的物理學家斯蒂芬·希爾伯特（Stefan Hilbert）說道，他沒有參與這項研究。「例如，你可以創造出一種叫做『粒子數反轉』的系統——在這個系統中，會有更多的粒子處於較高能量的激發態，而能量較低狀態的粒子反而更少。」

換句話說，只要將「金字塔」限制在有限的能量水平上，物理系統的粒子能量分布確實可以被反轉過來。而這種機制的運作，在一個不起眼的激光筆里就能找到。

這種超前概念在現實世界中的應用

每次你在點亮激光筆時，就是在使用「粒子數反轉」的魔力。原子被從低能級向更高的能級「泵浦（Pumped，意為向上抽調）」，然後它們會回落，並在這個過程中發出光芒。

現在，科學家們已經發現了操縱其他可激發的物理系統的方法。自旋——決定原子的磁力特性的本質——是負溫度研究中最熱門的話題之一。

「在激光器出現前，人們認為一團粒子中處於的自旋激發態的數量不可能超過其總數的一半，因為這已經是自旋激發的『最熱』狀態了」，論文的作者之一，在東京工作的國立情報學研究所的研究人員根本香惠（Nemoto Koe）說道。

但後來科學家們證明這並不正確。在他們的論文中，根本和同事們描述了一種特殊方式來構建自旋系統，這個系統中有一部分粒子的自旋分布更傾向於反轉的狀態。換句話說，與激光不同，這一系統中的原子不需要向高能量的「泵浦」過程，天然就有一部分可以自動向上流動。

「在激光器中，存在一定的粒子數反轉，但這是一個不穩定的狀態。你可以增加處於激發態的原子數，但原子並不會在這一狀態長期維持」，論文的作者之一，日本電話電報公司的研究人員威廉·蒙羅（William Munro）說道。

根本、蒙羅和他們在崎玉的突發物質科學RIKEN中心（RIKEN Center for Emergent Matter Science）的同事濱祐介（Hama Yusuke），發現如果獨立的兩團原子共用一個恆溫的原子儲層，那麼在持續一段時間後，它們最終並不一定達成平衡態。

當兩團原子數量相當時，即便其中一團全部是高自旋狀態，而另一團全部是低自旋狀態，隨著時間的推移，兩團原子最終都會進入「中間態」，即一半處於自旋較高的狀態，另一半處於自旋較低的狀態。

但是，當兩團原子的數量不同時，會發生一些奇怪的現象。例如，如果原子團A包含了比B更多的自旋，同時原子團A中所有的自旋都處於更高的狀態，原子團B中所有的自旋都處於更低的狀態，那麼這兩者的自旋並不會像激光器那樣，全都向最低的狀態演化。相反的，原子團B中的所有自旋都會流向更高的狀態。換言之，原子團B更加傾向於發生粒子數反轉的狀態。這一啟示在現代應用中普遍存在的磁性系統中會有重要的指導意義。

「負溫度的概念對於解釋許多物理系統的實驗結果非常重要，特別是對於這些自旋系統」，希爾伯特說。

https://www.insidescience.org/news/system-so-cold-its-hot

美國物理聯合會（AIP/American Institute of Physics）--InsideScience專欄獨家供稿

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