科學家創造出比絕對零度還低的溫度?!
在絕對零度時,物質就靜止不動了(只剩自旋性),具有最低的能量。而你是沒法叫一個已經靜止不動的粒子,更靜止的,對不對?而一個已經處於最低能量狀態的粒子,又如何產生比最低能量還低的能量狀態?這新聞到底說的是什麼意思呢?
初看起來,這個比克氏絕對溫度還低的溫度,實在很不科學。問題是出在,克氏溫度是量測「亂度」(Entropy),而不是我們一般人熟知的「溫度」(Temperature)。
物理定義下的溫度(Temperature)是指亂度(Entropy)相對於能量(Energy)的斜率(Slope)。
Temperature = the change in the energy of a system relative to the change in entropy。
各位可以想像某系統裡的基本粒子,只可以處於兩個狀態,一個是最低能階狀態,一個是最高能階狀態,若所有基本粒子都處於最高能階狀態,則此系統,不但有最高能量,也具有最低亂度(所有粒子都處於最高能量狀態)。當此系統釋出能量,則此系統的能量降低,某些粒子由最高能階狀態,落入最低能階狀態,則此系統的亂度反而增加,即並非所有粒子全部處於同一能階,就可以產生負的亂度與能量的變化率,即所謂「負溫度」的現象。這樣的實驗,在靜態的粒子上,很久以前就有許多人做過。而這個報導裡的實驗,比較特別的是,它加入動量(Momentum)的考量因素。
克氏(Kelvin)絕對零度是物質粒子"完全不動"的狀態,是物質的亂度(Entropy)為零的狀態(嚴格來說,物質即使處在絕對溫度零度,還是有非零的亂度,也就是粒子的自旋性,不過我們不需在此深究)。而溫度(Temperature)是亂度以及能量的變化率(The change rate of entropy)。
在溫度為克氏(Kelvin)絕對零度以上的世界,一般來說,物質加熱(加入能量),他的亂度就增加,就越無序化。而這群科學家是利用多筆高能雷射束抓住粒子,一邊供給它極高的能量,但又極力束縛它,硬是不讓它動,讓它產生一個負溫度的暫態,也就是越加入能量,粒子的運動越有秩序,或越釋出能量,粒子的運動越無秩序,只有在溫度低於克氏絕對零度才會有的怪異現象。
所以,客氏絕對零度仍然是能量增加、亂度增加(溫度為正度數,也就是「正」的亂度與能量變化率),以及能量增加、亂度降低(溫度為負度數,也就是「負」的亂度與能量變化率),兩種亂度/能量變化率系統的中間點。
因此,雖然初聽起來,比絕對零度還低的溫度,蠻令人不可思議的,但科學家還是有可能讓物質產生溫度低於克氏絕對零度的狀態的啦。
Temperature is actually just a measure of the rate of change of energy with respect to entropy. For positive temperature, you gain energy by increasing entropy (e.g. boiling water is more chaotic than cold water). For negative temperature, it's the reverse, where you gain energy by decreasing entropy. The wikipedia article on "negative temperature" has a nice explanation
So absolute zero is still the point which marks the turning point from energy increasing with higher entropy to energy increasing with lower entropy.
The precise statistical mechanics based definition on temperature is not simply that "atoms stop moving" as we learn in high school physics.
It has to do with a rate of change of entropy to energy. At absolute zero, that rate of change is zero, above it the rate is positive, below it the rate is negative.
In the case of this experiment. The atoms at "negative temperature" are still moving about at a faster speed than they would at absolute zero. So in the layman's sense of the word, negative temperatures are "warmer" than absolute zero. Either way, the zero still stands.
http://arstechnica.com/science/2013/01/scientists-create-negative-temperature-system/
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arstechnica.comBizarre setup may help researchers model dark energy.

近代物理學因為已經超過日常生活的經驗範圍,由我當年唸物理系時已經由理論(數學推理)大幅領先,而後再由實驗證明或推翻,如果這篇雜誌報導為真,就先需理論推翻絕對0度。我雖然離開物理界已35年,但還依然關注物理界的理論發展,這種沒理論依據的胡亂實驗沒一個活下來的。 |
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