|  | 11 января 2013 | Новости науки и техники

Ученым удалось охладить атомы вещества до температуры ниже абсолютного нуля

Отрицательная термодинамическая система


За несколько прошедших десятилетий ученым удалось добиться значительных успехов в охлаждении различных объектов до температур, приближающихся к абсолютному нулю, температур, при которых замирает все тепловое движение атомов и молекул. Такие возможности позволили ученым изучить свойства вещества, находящегося в необычном состоянии, к примеру, в состоянии конденсата Бозе-Эйнштейна, в котором все свойства вещества кардинально отличаются от его свойств при обычных температурах. Считается, что температуры абсолютного нуля достичь не получится, ведь для этого необходимо использовать другой объект, охлажденный еще до более низкой температуры, температуры ниже абсолютного нуля, а это уж совсем невозможно. Но так ли это?

Поскольку температура объекта определяется законами термодинамики, они, эти законы, в теории допускают возможность существования отрицательных температур по шкале Кельвина. И вот недавно команда немецких ученых сообщила о том, что им удалось создать термодинамическую систему с отрицательной температурой. Во время экспериментов исследователи обнаружили, что отрицательная температура системы устойчиво продержалась в течении нескольких сотен миллисекунд, что дает возможность изучать свойства материала, находящегося в радикально новом физическом состоянии.

Для того, что бы понять как температура может стать отрицательной, необходимо думать с точки зрения законов термодинамики, которые определяются такими понятиями, как энергетическое состояние и энтропия. В нормальной термодинамической системе существует некоторый нижний энергетический предел, в котором могут находиться атомы вещества, но не существует верхнего энергетического предела. И если в систему, температура которой приближается к абсолютному нулю, начать добавлять атомы вещества, имеющие более высокую энергию, то эти атомы начинают равномерно распространяться по всей системе, увеличивая ее энтропию.

Теперь представьте себе термодинамическую систему, в которой присутствует и верхнее энергетическое ограничение, т.е. ограничение максимального количества тепловой энергии, которое может содержаться в одном атоме. Когда все атомы системы переходят в максимально возможное энергетическое состояние энтропия всей системы в целом начинает снижаться и в конце концов становится равной нулю. А с точки зрения законов термодинамики температура такой системы имеет отрицательное значение.

У подобной теории есть достаточно причудливые последствия. К примеру, если добиться максимально возможной энтропии системы, то температура этой системы становится "прерывистой" и стремиться перескакивать от положительной к отрицательной бесконечности и назад. И еще более странные вещи могут произойти, когда такая система вошла бы в контакт с системой с нормальной температурой. "При тепловом контакте" - пишут исследователи, - "тепло начало бы "перетекать" от отрицательной в положительную термодинамическую систему. Поскольку отрицательная термодинамическая система может поглощать энтропию, высвобождая при этом энергию, то такие системы могут стать основой некоторых парадоксальных эффектов, к примеру, теплового двигателя Карно, эффективность которого имеет значение больше единицы".

Для того, что бы создать отрицательную термодинамическую систему, исследователи использовали оптическую решетку из атомов калия, охлажденных до температуры, близкой к абсолютному нулю. При нормальных условиях эти атомы отражают свет, а сама система ведет себя в соответствии с законами термодинамики. Но ученым удалось создать такие условия, что атомы калия приобрели возможность поглощать свет, сохраняя, при этом свою низкую температуру. Такие условия позволили воссоздать нечто, которое можно охарактеризовать термином "антидавление", которое должно разрушить стройную структуру из атомов калия. И только отрицательная температура всей термодинамической системы может препятствовать структуре из атомов калия разрушиться.

Важно отметить, что реализованная отрицательная температура термодинамической системы не является энергетическим уровнем, который находится ниже абсолютного нуля. У атомов системы имеется некоторое количество энергии, а отрицательная температура получается посредством скачкообразного внезапного перехода, а не плавного снижения температуры, которые проходит через абсолютный ноль.

Однако, понятие такой отрицательной термодинамической системы и отрицательной температуры являются только лишь необычным последствиями того, как законы термодинамики определяют понятие температуры и систем, поведение которых кардинально отличается от поведения нормальных систем. Но ученые считают, что исследования в этом направлении помогут людям понять природу темной энергии, за счет которой происходит ускорение расширения Вселенной и которая может являться продуктом того "антидавления", которое присутствует в созданной отрицательной термодинамической системе.




Ключевые слова:
Термодинамика, Закон, Система, Температура, Атом, Энергия, Энтропия, Отрицательная, Абсолютный, Ноль, Темная

Первоисточник

Другие новости по теме:
  • Физикам удалось впервые получить материю с "отрицательной массой"
  • Ученым удалось охладить молекулы до рекордно низкой температуры
  • Ученые обнаружили, что поведение наночастиц в некоторых условиях нарушает в ...
  • На борту космической станции будет создано самое холодное место во Вселенно ...
  • Квантовый термометр сможет измерить самую низкую температуру во Вселенной




  • 11 января 2013 12:05
    #1 Написал: kampolWaMpIr

    Публикаций: 0
    Комментариев: 0
    Помимо антиматерии и антивещества для себя узнал ещё антидавление. wink
    А если говорить в целом по статье. ...доиграются учёные со всеми этими Анти. Придётся быстро быстро программировать новый мир! laughing
        
    11 января 2013 12:10
    #2 Написал: volod

    Публикаций: 0
    Комментариев: 1489
    Кто понял поясните понятным языком winked
        
    11 января 2013 12:50
    #3 Написал: mkz

    Публикаций: 0
    Комментариев: 112
    P = k * T
    давление газа пропорционально температуре (с коэфициентом зависящим от плотности газа).
    Соответственно, если давление газа отрицательное, то температура отрицательная.
    Если же считать температурой количество внутренней кинетической энергии движения атомов, то она отрицательной быть не может. Уровнение для связи давления и температуры выводится из предположения о столкновении молекул газа, движущимися со скоростью зависящей от температуры, со стенками (что в среднем и создает "давление").

    Аналогичная проблема и со связью энтропии и температуры. При определенных условиях они связаны. Даже есть определение энтропии через температуру. Если потом начать определять температуру через энтропию, а для энтропии взять другое определение (через меру упорядоченности) - то опять мы выйдем за пределы применимости формулы и бредовые результаты.

    Когда мы выходим за границы (предположения) из которых формула выведена - то формула может давать сколь угодно бредовые значения. Вот как здесь - получилась температура ниже нуля.
        
    11 января 2013 15:04
    #4 Написал: dante

    Публикаций: 0
    Комментариев: 0
    Физические законы нельзя нарушить, но их можно обойти winked
        
    11 января 2013 21:22
    #5 Написал: Nitramin

    Публикаций: 0
    Комментариев: 91
    Чудес не бывает, но есть фокусники, показывающие чудеса. Это всего лишь фокус.
        
    11 января 2013 21:58
    #6 Написал: Indigoo

    Публикаций: 0
    Комментариев: 0
    Возможно я ответил бы что-нибудь, если бы понял что-нибудь :D
        
    12 января 2013 08:33
    #7 Написал: EduardLt

    Публикаций: 0
    Комментариев: 190
    Физика и математика - это философия. Как бы не были строги теории, всегда есть аксиомы и допущения. Добились ученые поглощения света, это не значит что тут работает термодинамика.

    Для меня эта ситуация говорит о том, что законы термодинамики узки, чтобы изучать такие процессы. Поэтому отрицательная температура тут используется в определенном смысле, чтобы охарактеризовать ситуацию исключения из правил.

    Можно было назвать этот эффект иначе, чем отрицательная температура, так как она на самом деле положительная. Щас будут забивать головы пустыми мыслями о том как изучить мнимое предположение об отрицательности, возникшее из-за не верной точки зрения на процесс. Нельзя тупо подставлять законы куда попало. Всему свое место.
        
    12 января 2013 15:23
    #8 Написал: Myas

    Публикаций: 0
    Комментариев: 0
    У ученых профессия такая - они должны уметь объяснить всё что угодно. Видели бы вы как ловко порой обрабатывается эксперимент - совершенно невозможные вещи, полученные в результате ошибок, представляются как совершенно логичный и правильный результат.
    Не знаю что тут намудрили эти ученые, судить не берусь, ибо для этого нужно повторять эксперимент в другом месте и другими руками.
        
    13 января 2013 13:07
    #9 Написал: lisich

    Публикаций: 0
    Комментариев: 0
    Чтож посмотрим что из этого выйдет , много научных допущений сделано и много еше придется переписать в физики чем ближе к границам той или иной области мы приближаемся тем больше непонятного.Физика развивается как некогда быстро сейчас новые эксперименты новые вопросы.Физика не будет стоять на месте и уж тем более не надо оставаться консерватором.В любом случаи если температуру можно опустить нижу абсолютного 0 то мы об этом ешё прочитаем а может и нет.Пусть мы и находимся в информационном обществе ну в на щей великой стране дураков и гениев жаль что преобладают дураки ,а к чему я это собственно привел помните курс географии из чего состоит земля? Так вот там теория, а что получили на кольской сверхглубокой скважине?Так ешё один вопрос почему у нас в институтах припадают по старым советским данным? (Остапа занесло wink ) уж явно на флудил не по теме)
        

    Информация

    Посетители, находящиеся в группе Гости, не могут оставлять комментарии к данной публикации.