Вченим вдалося зробити щось неймовірне: вони змогли охолодити речовину нижче температури, яка досі вважалася абсолютним мінімумом. У більшості сучасних підручників з фізики абсолютний нуль за шкалою Кельвіна або мінус 273,15 градусів за Цельсієм вважається найнижчою з можливих температур, оскільки при ній навіть найлегший елемент - водень - повністю втрачає свою рухливість, тобто, кажучи фігурально, замерзає.

Як не дивно, але одним із способів вивчення негативних температур є нескінченно сильний розігрів речовини. Цей незвичайний, що межує з фантастикою, підхід, дозволяє в теорії проектувати двигуни, ККД яких буде вище 100%, проливає світло на такі загадкові субстанції, як темна енергія та інші.

З точки зору атомної фізики, температура - це швидкість. Швидкість руху атомів усередині речовини, і чим швидше атоми рухаються, тим вище температура. Відповідно, при мінус 273,15 градусах атоми водню повністю зупиняються. З таким підходом, жодна речовина не може бути холодніше цього ліміту.

Однак сучасна фізика, щоб зрозуміти сутність температури, пропонує поглянути на неї інакше - не як на лінійний показник, а як на петлю: позитивні температури - це одна частина циклу, негативні - інша. При температурах, які прагнуть до нескінченно низьким або нескінченно високим, шкала рано чи пізно опиняється на негативній області. При позитивних температурах атоми частіше займають найнижчі енергетичні стани, а при негативних - високі. У фізиці подібний ефект відомий, як розподіл Больцмана.

При абсолютному нулі атоми займають найнижче енергетичний стан, а при «нескінченної температурі» атоми можуть займати відразу всі енергетичні стани. Відповідно, при дуже високих температурах вони займають всі високі енергетичні стани, а при дуже низьких температурах - всі низькі.

«Говорячи про низькій температурі, можна говорити, що ми маємо справу з перевернутим розподілом Больцмана», - говорить фізик Ульріх Шнайдер з Мюнхенського університету в Німеччині. «З такою логікою, речовина, досягає температури нижче абсолютного нуля, стає гарячим. Ми вважаємо, що при досягненні кордону в мінус 273 градуси температура не закінчується, а просто переходить до негативних значень».

Як нескладно припустити, об'єкти з негативною температурою ведуть себе дуже дивно. Приміром, зазвичай енергія, що виходить від об'єкта з більш високою температурою, завжди буде більше, ніж від більш прохолодного об'єкта. Однак якщо речовина переходить на негативну шкалу, то там чим воно холодніше, тим більше енергії випромінює. Таким чином, тут більш холодний об'єкт завжди буде більш енергетично активний, ніж більш теплий.

Іншим дивним наслідком негативних температур є ентропія - показник того, наскільки речовина є впорядкованим. Коли об'єкт має традиційну температуру, він збільшує ентропію речовини навколо та всередині себе, але коли температури йде в негативну зону, нескінченно «холодно/гаряче» об'єкт здатний знижувати ентропію всередині і навколо себе.

Німецькі фізики кажуть, що негативна температура - це поки що значною мірою теорія. Але вона стане практикою, коли наука навчиться працювати з чіткими енергетичними показниками одного окремо взятого атома речовини. Коли дослідники зможуть працювати з одним окремим атомом подібно до того, як з об'єктами в макросвіті, можна буде говорити про те, чи зможуть атоми охолоджуватися до супернизьких температур чи можуть вони летіти швидше швидкості світла.

Поки ж для генерації негативних температур вчені створили систему, в якій атоми мали жорсткий межа того, якою енергією вони можуть мати. Для цього фізики взяли 100 000 атомів і охолодили їх до температури в одну мільярдну градуси Кельвіна. Атоми були охолоджені у вакуумній камері, ізольованою від зовнішнього середовища. Для точного контролю атомів дослідники застосовували мережа лазерних променів і магнітних полів.

За словами вчених, температура речовини у кінцевому підсумку залежить від того, скільки потенційної енергії є у атома і скільки енергії утворюється від взаємодії між атомами. Крім того, температура також тісно пов'язана з тиском - чим гаряче об'єкт, тим більше він розширюється і навпаки. Щоб переконатися в тому, що газ може мати температуру нижче абсолютного нуля, потрібно було створити такі умови, в яких самі атоми не мали б суттєвою енергії, а від відштовхування атомів утворювалося більше енергії, ніж від їх тяжіння.

Щось подібне вийшло відтворити на наномасштабі. Симон Браун з Мюнхенського університету каже, що в майбутньому на практиці такі знання можуть призвести до створення надефективних теплових двигунів. Робота таких двигунів спирається на перетворення теплової енергії в механічну. Теоретично, з негативними температурами такі двигуни могли б мати ККД вище 100%, хоча з точки зору логіки це здається неможливим.