Ученым удалось совершить нечто невероятное: они смогли охладить вещество ниже температуры, которая до сих пор считалась абсолютным минимумом. В большинстве современных учебников по физике абсолютный ноль по шкале Кельвина или минус 273,15 градусов по Цельсию считается самой низкой из возможных температур, так как при ней даже самый легкий элемент – водород – полностью теряет свою подвижность, то есть, говоря фигурально, замерзает.

Как ни странно, но одним из способов изучения отрицательных температур является бесконечно сильный разогрев вещества. Этот необычный, граничащий с фантастикой, подход, позволяет в теории проектировать двигатели, КПД которых будет выше 100%, проливает свет на такие загадочные субстанции, как темная энергия и другие.

С точки зрения атомной физики, температура – это скорость. Скорость движения атомов внутри вещества, и чем быстрее атомы движутся, тем выше температура. Соответственно, при минус 273,15 градусах атомы водорода полностью останавливаются. С таким подходом, никакое вещество не может быть холоднее этого лимита.

Однако современная физика, чтобы понять сущность температуры, предлагает взглянуть на нее иначе – не как на линейный показатель, а как на петлю: положительные температуры – это одна часть цикла, отрицательные – другая. При температурах, стремящихся к бесконечно низким или бесконечно высоким, шкала рано или поздно оказывается на отрицательной области. При положительных температурах атомы чаще занимают низкие энергетические состояния, а при отрицательных – высокие. В физике подобный эффект известен, как распределение Больцмана.

При абсолютном нуле атомы занимают самое низкое энергетическое состояние, а при «бесконечной температуре» атомы могут занимать сразу все энергетические состояния. Соответственно, при очень высоких температурах они занимают все высокие энергические состояния, а при очень низких температурах – все низкие.

«Говоря о низкой температуре, можно говорить, что мы имеем дело с перевернутым распределением Больцмана», – говорит физик Ульрих Шнайдер из Мюнхенского университета в Германии. «С такой логикой, вещество, достигающее температуры ниже абсолютного нуля, становится горячим. Мы считаем, что при достижении рубежа в минус 273 градуса температура не заканчивается, а просто переходит к отрицательным значениям».

Как несложно предположить, объекты с отрицательной температурой ведут себя очень странно. К примеру, обычно энергия, исходящая от объекта с более высокой температурой, всегда будет больше, чем от более прохладного объекта. Однако если вещество переходит на отрицательную шкалу, то там чем оно холоднее, тем больше энергии излучает. Таким образом, здесь более холодный объект всегда будет более энергетически активен, нежели более теплый.

Другим странным последствием отрицательных температур является энтропия – показатель того, насколько вещество является упорядоченным. Когда объект имеет традиционную температуру, он увеличивает энтропию вещества вокруг и внутри себя, но когда температуры уходит в отрицательную зону, бесконечно «холодно/горячий» объект способен снижать энтропию внутри и вокруг себя.

Немецкие физики говорят, что отрицательная температура – это пока в значительной мере теория. Но она станет практикой, когда наука научится работать с четкими энергетическими показателями одного отдельно взятого атома вещества. Когда исследователи смогут работать с одним отдельным атомом подобно тому, как с объектами в макромире, можно будет говорить о том, смогут ли атомы охлаждаться до супернизких температур или могут ли они лететь быстрее скорости света.

Пока же для генерации отрицательных температур ученые создали систему, в которой атомы имели жесткий предел того, какой энергией они могут обладать. Для этого физики взяли 100 000 атомов и охладили их до температуры в одну миллиардную градуса Кельвина. Атомы были охлаждены в вакуумной камере, изолированной от внешней среды. Для точного контроля атомов исследователи применяли сеть лазерных лучей и магнитных полей.

По словам ученых, температура вещества в конечном итоге зависит от того, сколько потенциальной энергии есть у атома и сколько энергии образуется от взаимодействия между атомами. Кроме того, температура также тесно связана с давлением – чем горячее объект, тем больше он расширяется и наоборот. Чтобы убедиться в том, что газ может иметь температуру ниже абсолютного нуля, нужно было создать такие условия, в которых сами атомы не имели бы существенной энергии, а от отталкивания атомов образовывалось бы больше энергии, чем от их притяжения.

Нечто подобное получилось воссоздать на наномасштабе. Симон Браун из Мюнхенского университета говорит, что в будущем на практике такие знания могут привести к созданию сверхэффективных тепловых двигателей. Работа таких двигателей опирается на преобразование тепловой энергии в механическую. Теоретически, с отрицательными температурами такие двигатели могли бы иметь КПД выше 100%, хотя с точки зрения логики это кажется невозможным.