22/01/2013 - Eine Temperatur unterhalb der absoluten Null

Menéame

Max Planck Institute of Quantum Optics - Auf der absoluten Temperaturskala, von Physikern benutzt und als Kelvin-Skala bekannt, kann man nicht unter null erreichen - mindestens nicht im Sinne von weniger als null Kelvin (-273,15 oder Centigrades oder Celsius).

Je kälter das Gas ist, desto langsamer gehen die Partikel. Bei null Grad Kelvin, die Partikel bewegen sich nicht mehr und die ganze Unordnung verschwindet. Daher Nichts kann kälter sein als die absolute Null auf der Kelvin-Skala..

Physiker der Universität Ludwig-Maximilians München (Ludwig-Maximilians University München) und Max-Planck-Institut für Quantenoptik (Max Planck Institute of Quantum Optics) in Garching, haben sie ein Atomgas im Labor, jedoch erreicht Werte Kelvin-negative. Diese negativen absoluten Temperaturen haben mehrere absurde Folgen: Obwohl sich die Atome des Gases gegenseitig anziehen und zu einem negativen Druck führen, kollabiert das Gas nicht - ein Verhalten, das auch für die dunkle Energie in der Kosmologie vorgeschlagen wird. Vermutlich unmögliche Wärmemotoren wie ein Verbrennungsmotor mit einer thermodynamischen Effizienz von mehr als 100%, können sie auch mit Hilfe der absoluten negativen Temperaturen durchgeführt werden.

Um Wasser zu kochen, braucht man Energie. Während das Wasser erwärmt wird, erhöhen die Moleküle ihre kinetische Energie und bewegen sich im Durchschnitt immer schneller. Trotzdem, isolierte Moleküle haben unterschiedliche kinetische Energien - von den sehr langsamen bis zu den sehr schnellen. Niedrige Energiezustände sind wahrscheinlicher als die mit höherer Energie, d.h. Nur ein paar Teilchen bewegen sich wirklich schnell. In der Physik wird die Verteilung als Verteilung von Boltzmann. Die Physiker, die neben Ulrich Schneider und Immanuel Bloch arbeiten, haben ein Gas erzeugt, in das diese Verteilung völlig umgekehrt ist: viele Teilchen haben hohe Energien und nur wenige niedrige Energien. Diese Umkehrung der Energieverteilung bedeutet, dass die Partikel eine absolute negative Temperatur angenommen haben.

“Die Verteilung von umgekehrtem Boltzmann ist das Unterscheidungsmerkmal der absoluten negativen Temperatur; und das ist es, was wir erreicht haben" sagt Ulrich Schneider. "Obwohl das Gas nicht kälter ist als Null Kelvin, sondern wärmer," erklären die Physiker: "Es ist sogar wärmer als jede andere positive Temperatur - die Temperaturskala endet einfach nicht in einer Unendlichkeit, sondern springt stattdessen auf negative Werte."

Eine Temperaturnegativ kann nur mit einer höheren Energiegrenze erreicht werden

Die Bedeutung einer negativen absoluten Temperatur lässt sich am besten durch Kugeln veranschaulichen, die in einer Berglandschaft rollen, in der die Täler die Rolle niedriger potenzieller Energien und der Gipfel hoher Energien spielen. Je schneller sich die Sphären bewegen, desto größer ist ihre kinetische Energie: Wenn sie mit positiven Temperaturen beginnen und die Gesamtenergie der Sphären durch Erhitzen erhöht wird, desto mehr werden die Sphäre in hochenergetische Regionen zerstreut. Wenn es möglich wäre, die Kugeln auf unendliche Temperatur zu erhitzen, gäbe es eine gleiche Wahrscheinlichkeit, sie an jedem Punkt der Landschaft zu finden, unabhängig von der potentiellen Energie. Wenn jetzt noch mehr Energie hinzugefügt werden könnte und damit die Sphären noch wärmer werden, Sie würden vorzugsweise in Hochenergiezuständen zusammenkommen und wärmer sein als eine unendliche Temperatur.. Die Verteilung von Boltzmann würde umgekehrt werden, und wir hätten daher eine negative Temperatur.

Der erste Eindruck ist, dass es seltsam erscheinen mag, dass eine absolute negative Temperatur wärmer ist als eine positive, aber Dies ist einfach eine Folge einer historischen Definition der absoluten Temperatur, wenn es anders definiert würde, gäbe es keinen solchen scheinbaren Widerspruch.

Diese Investition der Bevölkerung von Energiezuständen ist nicht möglich in WasserIn keinem anderen natürlichen System, da das System eine unendliche Menge Energie aufnehmen müsste, was unmöglich ist. Wenn jedoch die Partikel eine höhere Energiegrenze haben, wie zum Beispiel der Gipfel des Hügels in der potentiellen Energielandschaft, wäre die Situation völlig anders. Die Forscher der Forschungsgruppe Immanuel Bloch und Ulrich Schneider haben dieses System in ihrem Labor mit einem Atomgas mit einer höheren Energiegrenze entwickelt, das den theoretischen Vorschlägen von Allard Mosk y Achim Rosch.

In ihrem Experiment kühlten die Wissenschaftler in einer Vakuumkammer etwa 100 000 Atome auf eine Temperatur von etwa einem Billionstel Kelvin ab und nahmen sie in optischen Fallen aus Laserstrahlen gefangen. Die extreme Leere um Atome sorgt dafür, dass diese perfekt von der Umgebung isoliert sind. Die Laserstrahlen erzeugen das, was man als optisches Netz bezeichnet, in dem Atome regelmäßig in Netzpositionen umgeräumt werden. In diesem Netz können sich Atome immer noch von einer Position zur anderen bewegen, dank Tunneleffekt, obwohl seine kinetische Energie eine obere Grenze hat und daher die höchste Energiegrenze hat. Die Temperatur bezieht sich jedoch nicht nur auf die kinetische Energie, sondern auch auf die Gesamtenergie der Partikel, was in diesem Fall auch die Interaktion und die potentielle Energie einschließt. Das System der Forscher aus München und Garching legt auch eine Grenze für beide fest. Die Physiker brachten dann die Atome zu dieser oberen Grenze der Gesamtenergie - so erreichend eine negative Temperatur, weniger als ein paar tausend Milliardenstel Kelvin.

Bei schlechter Temperatur kann ein Motor mehr Arbeit leisten

Wenn die Sphären eine positive Temperatur besitzen und sich in einem Tal befinden, dessen Potential gering ist, ist dieser Zustand natürlich stabil - das ist die Natur, wie wir sie kennen. Wenn die Sphären auf einem Hügel zu seiner maximalen potenziellen Energie stehen, dann werden sie normalerweise nach unten rollen und damit die potentielle Energie in kinetische Energie umwandeln. "Wenn die Sphären bei schlechter Temperatur sind, wird ihre kinetische Energie jedoch so groß sein, dass sie nicht weiter zunehmen können," erklärt Simon Braun, Doktorandenschülerin in der Forschungsgruppe. "Die Kugeln können nicht nach unten rollen, und sie bleiben auf dem Gipfel des Hügels. Die Energiegrenze schafft es, das System stabil zu halten!" Der negative Temperaturzustand in Ihrem Experiment ist tatsächlich so stabil wie ein positiver Temperaturzustand. "Wir haben also den ersten negativen absoluten Temperaturzustand für sich bewegende Partikel geschaffen," fügt Braun hinzu.

Die Materie bei absoluten negativen Temperaturen hat eine ganze Reihe von erstaunlichen Folgen: Mit ihrer Hilfe könnten Wärmemotoren wie Verbrennungsmotoren mit einer Effizienz von mehr als 100% erzeugt werden. Das bedeutet jedoch nicht, daß das Gesetz über die Erhaltung der Energie verletzt wird. Stattdessen könnte der Motor nicht nur Energie aus dem heißesten Medium aufnehmen, und es funktioniert also, sondern im Gegensatz zu normalen Mitteln könnte er auch etwas kälteres machen.

Bei rein positiven Temperaturen wird das kälteste Medium unweigerlich erwärmt, wodurch ein Teil der Energie des heißesten Mediums absorbiert wird und so die Effizienz begrenzen. Wenn das heiße Medium eine negative Temperatur hat, ist es möglich, Energie aus beiden Medien gleichzeitig aufzunehmen. Die Arbeit der Motoren ist daher größer als die Energie, die nur aus dem heißen Medium genommen wird - und die Effizienz über 100% liegt.

Die Errungenschaft der Physiker in München könnte auch für die Kosmologie interessant sein, da das thermodynamische Verhalten der negativen Temperatur Parallelen zu der als dunkle Energie bekannten zeigt. Kosmologen schlagen die dunkle Energie als eine abwegige Kraft vor, die die Ausdehnung des Universums beschleunigt, obwohl der Kosmos tatsächlich aufgrund der Gravitationsattraktion unter allen Massen angezogen werden sollte. Es gibt ein ähnliches Phänomen in der Atomwolke des Münchener Labors: Das Experiment hängt davon ab, dass Atome Das Gas ist nicht wie ein normales Gas, sondern attraktiv interagieren. Das bedeutet, daß Atome stattdessen eine Art positiver Druck ausüben. Die Atomwolke will sich also anstecken und sollte zusammenbrechen - so wie man es vom Universum unter dem Einfluss der Schwerkraft erwarten würde. Aber wegen seiner negativen Temperatur geschieht dies nicht. Das Gas kollabiert nicht, wie auch das Universum nicht..

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