Atome erreichen Rekord Temperatur kälter als absoluten Nullpunkt
Absoluten Nullpunkt wird häufig als die kälteste Temperatur möglich sein. Aber jetzt Forscher zeigen, dass sie erreichen können, noch niedrigere Temperaturen für eine seltsame Reich der "negativen Temperaturen."
Merkwürdig ist, eine andere Sichtweise auf diese negativen Temperaturen wird sie heißer als unendlich betrachten, Forscher hinzugefügt.
Dieser ungewöhnliche Fortschritt führen neue Motoren, die mehr als 100 Prozent Wirkungsgrad und beleuchten auf Geheimnisse wie dunkle Energie, die mysteriöse Substanz, die anscheinend unser Universum auseinander zieht, ist technisch sein könnte.
Ein Objekt Temperatur ist ein Maß dafür wie viel bewegen sich die Atome – je kälter ein Objekt ist, desto langsamer die Atome sind. Physisch unmöglich zu erreichen, die Temperatur von Null Kelvin oder minus 459,67 Grad Fahrenheit (minus 273,15 Grad Celsius) würde die Atome nicht mehr fortbewegen. Als solche kann nichts kälter als absoluten Nullpunkt auf der Kelvin-Skala.
Bizarro negative Temperaturen
Um die negativen Temperaturen zu verstehen, was Wissenschaftler jetzt entwickelt haben, könnte man meinen der Temperatur als auf einer Skala, die eigentlich eine Schleife, nicht linear ist. Positive Temperaturen bilden einen Teil der Schleife, während der andere Teil negative Temperaturen bilden. Bei Temperaturen unter Null oder über unendlich auf die positive Region dieser Größenordnung gehen, landen sie im negativen Bereich. [Was ist das? Ihre grundlegende Physik Fragen]
Mit positiven Temperaturen zu beschäftigen Atome eher Niedrigenergie-Staaten als hochenergetische Staaten ein Muster bekannt als Boltzmann-Verteilung in der Physik. Wenn ein Objekt beheizt wird, erreichen ihre Atome höhere Energieniveaus.
Am absoluten Nullpunkt würde die Atome den niedrigste Energiezustand besetzen. Bei einer unendlichen Temperatur würde Atome alle Energiezustände einnehmen. Negative Temperaturen dann sind das Gegenteil von positiven Temperaturen-Atome besetzen hochenergetische Staaten eher als niedrig-Energie-Staaten.
"Die invertierte Boltzmann-Verteilung ist das Markenzeichen der negative Absolute Temperatur, und das ist, was wir erreicht haben," sagte der Forscher Ulrich Schneider, ein Physiker an der Universität München in Deutschland. "Noch ist das Gas nicht kälter als Null Kelvin, aber heißer. Es ist noch heißer als bei jeder positiven Temperatur – die Temperaturskala einfach endet nicht auf unendlich, sondern springt zu negativen Werten statt. "
Wie man erwarten könnte, Verhalten sich Objekte mit negativen Temperaturen auf sehr seltsame Weise. Zum Beispiel in der Regel Energieströme von Objekten mit einer höheren positiven Temperatur aber auch mit einer niedrigeren positiven Temperatur — d. h. heißer Gegenstände erwärmen Kühler Objekte und kälteren Objekten abkühlen heißer sind, bis sie eine gemeinsame Temperatur zu erreichen. Energie fließt aber auch mit positiven Temperaturen jedoch immer von Objekten mit negativen Temperatur. In diesem Sinne sind Objekte mit negativen Temperaturen immer heißer als solche mit positiven Temperaturen.
Eine weitere seltsame Folge der negativen Temperaturen hat zu tun mit Entropie ist ein Maß dafür wie ungeordnete ein System ist. Wenn Objekte mit positiven Temperatur Energie freizusetzen, erhöhen sie die Entropie der Dinge um sie herum, so dass sie mehr chaotisch Verhalten. Jedoch wenn Objekte mit negativen Temperaturen Energie freizugeben, können sie tatsächlich Entropie absorbieren.
Negative Temperaturen hätte unmöglich, gedacht werden, da gibt es normalerweise keine Obergrenze für wieviel Energie Atome haben können, soweit derzeit Theorie besagt. (Es gibt eine Grenze, welche Geschwindigkeit sie können Reisen – nach Einsteins Relativitätstheorie, kann nichts schneller als das Licht auf Geschwindigkeiten beschleunigen.)
Verrückte Physikexperiment
Um negative Temperaturen zu erzeugen, haben Wissenschaftler ein System wo Atome ein Limit, wie viel Energie haben, die sie besitzen, können. Zuerst etwa 100.000 Atome zu einer positiven Temperatur von ein paar Nanokelvin oder Milliardstel von einem Kelvin abgekühlt. Sie kühlte die Atome in einer Vakuumkammer, die sie von jeglichen Einflüssen der Umwelt isoliert, die potenziell ihnen versehentlich erwärmen könnte. Sie verwendet auch ein Netz von Laserstrahlen und magnetische Felder, sehr genau zu kontrollieren, wie diese Atome Verhalten, helfen sie in einen neuen Temperatur-Bereich schieben. [Verdreht Physik: 7 mind-blowing Ergebnisse]
"Die Temperaturen erreichten wir negative Nanokelvin", sagte Schneider LiveScience.
Temperatur hängt davon ab, wie viel Atome bewegen – wie viel kinetische Energie, die sie haben. Das Web von Laserstrahlen erstellt ein perfekt geordnetes Array von Millionen von Lichtblicke des Lichts, und in diesem "optischen Gitter," Atome noch bewegen konnte, aber ihre kinetische Energie war begrenzt.
Temperatur hängt auch davon ab, wieviel potentielle Energie Atome haben, und wie viel Energie in die Wechselwirkungen zwischen den Atomen liegt. Die Forscher verwendeten optische Gitter, um wieviel potentielle Energie zu begrenzen, die Atome hatte, und sie Magnetfelder verwendet, um die Wechselwirkungen zwischen Atomen, so dass sie entweder anziehend oder abstoßend sehr fein steuern.
Temperatur ist mit Druck verbunden – je heißer etwas ist, je mehr es vergrößert, und je kälter etwas ist, desto mehr zieht es nach innen. Um sicherzustellen, dass dieses Gas eine negative Temperatur hatte, mussten die Forscher es ein Unterdruck, Basteln mit den Wechselwirkungen zwischen Atomen bis sie einander angezogen, mehr zu geben als sie einander abgestoßen.
"Wir haben die ersten negative Absolute Temperatur Staat für bewegte Teilchen, geschaffen", sagte Forscher Simon Braun an der Universität München in Deutschland.
Neue Arten von Motoren
Negative Temperaturen könnte verwendet werden, um Hitze-Motoren zu schaffen – Motoren, die Wärmeenergie in mechanische Arbeit, wie z. B. Verbrennungsmotoren zu konvertieren – sind mehr als 100 Prozent effizient, etwas scheinbar Unmögliches. Solche Motoren würde im Wesentlichen nicht nur Energie aus heißer Substanzen, sondern auch kälteren aufnehmen. Als solche könnte die Arbeit des Motors größer als die Energie, die heißer Substanz allein entnommen werden.
Negative Temperaturen könnte auch helfen, Aufschluss über eines der größten Geheimnisse in der Wissenschaft. Wissenschaftler hatten erwartet die Anziehungskraft der Materie zu verlangsamen, die Expansion des Universums nach dem Urknall, schließlich zum Stillstand zu bringen oder sogar ins Gegenteil für eine "Big Crunch". Doch die Expansion des Universums offenbar beschleunigt sich, beschleunigte sich das Wachstum die Kosmologen schlagen möglicherweise aufgrund dunkler Energie, einer noch unbekannten Substanz, die mehr als 70 Prozent des Kosmos bilden könnte.
In der gleichen Weise sollte der Unterdruck des kalten Gases die Forscher erstellt Zusammenbruch klarstellen. Seine negativen Temperatur behält es jedoch gehindert. Als solche möglicherweise negative Temperaturen interessante Parallelen mit dunkler Energie, die Wissenschaftler verstehen, dieses Rätsel helfen können.
Negative Temperaturen könnten auch Aufschluss über exotische Zustände der Materie, Generierung von Systemen, die normalerweise nicht ohne sie stabil sein könnte. "Ein besseres Verständnis der Temperatur auf neue Dinge, die wir selbst noch nicht gedacht haben könnte,", sagte Schneider. "Wenn man die Grundlagen sehr gründlich studiert, weiß man nie wo es enden kann."
Die Wissenschaftler detailliert ihre Entdeckungen in der 4 Januar Ausgabe der Zeitschrift Science.
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