![\"ispod-apsolutne-nule\"](\"https:\/\/geek.hr\/znanost\/wp-content\/uploads\/sites\/14\/2013\/01\/ispod-apsolutne-nule.jpg\")
<\/p>\nOno \u0161to je normalno ve\u0107ini ljudi zimi, a to je temperatura u minusu, do sada je bilo nemogu\u0107e u fizici. Na ljestvici mjerenja u Celzijevim stupnjevima, negativne temperature predstavljaju iznena\u0111enje samo ljeti. Na apsolutnoj temperaturnoj ljestvici koju koriste fizi\u010dari, a jo\u0161 ju zovemo i Kelvinova ljestvica, nije mogu\u0107e i\u0107i ispod nule – barem ne u smislu dobivanja ni\u017ee temperature od nula kelvina. Prema fizikalnome zna\u010denju temperature, temperatura plina je odre\u0111ena kaoti\u010dnim gibanjem njegovih \u010destica – \u0161to je plin hladniji, to su \u010destice sporije.<\/p>\n
<\/p>\n
Na temperaturi nula kelvina (-273\u00b0 celzija) \u010destice se prestaju gibati i nestaje sav nered (kaos); stoga, ni\u0161ta ne mo\u017ee biti hladnije od apsolutne nule na Kelvinovoj ljestvici. Fizi\u010dari na Sveu\u010dili\u0161tu Ludwig-Maximilians<\/em> u M\u00fcnchenu i oni s Instituta za kvantnu optiku Max Planck<\/em> u Garchingu \u00a0upravo su stvorili atomski plin u laboratoriju koji usprkos svemu ima negativne vrijednosti u kelvinima. Ove negativne apsolutne temperature imaju nekoliko naizgled apsurdnih posljedica; iako atomi u plinu privla\u010de jedni druge i podi\u017eu negativni pritisak, plin se ne uru\u0161ava – pona\u0161anje koje je i jedan od postulata tamne energije u kozmologiji. Navodno nemogu\u0107i toplinski motori, poput onih s unutarnjim izgaranjem i s \u00a0termodinami\u010dkom u\u010dinkovitosti preko 100%, tako\u0111er bi mogli biti napravljeni uz pomo\u0107 negativnih apsolutnih temperatura.<\/p>\n Da bi se voda dovela do vrenja potrebno je dodati energiju. Kako se voda zagrijava, kineti\u010dka energija njenih molekula se s vremenom pove\u0107ava i one se u prosjeku gibaju sve br\u017ee. Ipak, pojedina\u010dne molekule posjeduju razli\u010dite kineti\u010dke energije pa mogu biti i jako spore i jako brze. Niskoenergetska stanja su vjerojatnija od visokoenergetskih, to jest, samo malo \u010destica kre\u0107e se stvarno brzo. U fizici, to nazivamo Boltzmanovom raspodjelom. Fizi\u010dari koji rade s Ulrichom Schneiderom i Immanuelom Blochom upravo su stvorili plin u kojemu je ova raspodjela sasvim obrnuta: mnoge \u010destice posjeduju visoku energiju, a samo malen broj njih ima nisku energiju. Ova inverzija raspodjele energije zna\u010di da su te \u010destice primile negativnu apsolutnu temperaturu.<\/p>\n “Ova obrnuta Boltzmanova raspodjela pokazatelj je negativne temperature; i to je ono \u0161to smo postigli”, rekao je Ulrich Schneider. “Ipak, plin nije hladniji od nula kelvina, ve\u0107 vru\u0107i”, obja\u0161njava dalje fizi\u010dar. “Vru\u0107i je nego pri bilo kojim pozitivnim temperaturama – temperaturna ljestvica, jednostavno, ne zavr\u0161ava u beskona\u010dnosti, ve\u0107 naprotiv, ska\u010de u negativne vrijednosti.”<\/p>\n Vru\u0107e negativne temperature: kod apsolutnih negativnih temperatura, raspodjela energije je obrnuta u usporedbi s pozitivnim temperaturama. Mnoge \u010destice tada imaju visoku energiju, a malo ih ima nisku. To se mo\u017ee povezati s temperaturom koja je vi\u0161a od one koja je beskona\u010dno visoka, gdje su \u010destice jednako podijelile svu energiju. Negativna temperatura u kelvinima mo\u017ee se posti\u0107i samo eksperimentalno, ako energija ima gornju granicu; isto kao \u0161to \u010destice koje se ne gibaju tvore donju granicu za kineti\u010dku energiju pri pozitivnim temperaturama – fizi\u010dari na LMU i Institutu za kvantnu optiku Max Planck<\/em>, sad su to i postigli. \u00a9 LMU and MPG<\/em>\n Negativna energija mo\u017ee se posti\u0107i uz gornju granicu energije<\/strong><\/p>\n Zna\u010denje apsolutne negativne temperature najbolje se mo\u017ee prikazati kuglicama koje se valjaju po brdovitome krajoliku, gdje doline predstavljaju potencijalno nisku energiju, a brda visoku. Kako se kuglice br\u017ee gibaju, njihova kineti\u010dka energija je ve\u0107a: ako se krene na pozitivnim temperaturama i pove\u0107a ukupna energija kuglica, zagrijavaju\u0107i ih, one \u0107e se u ve\u0107emu broju pro\u0161iriti na podru\u010dja visoke energije. Kad bi bilo mogu\u0107e zagrijati kuglice do beskona\u010dne temperature, postojala bi jednaka vjerojatnost da \u0107emo ih prona\u0107i na bilo kojoj to\u010dki krajolika, neovisno o njihovoj potencijalnoj energiji. Kad bi se moglo dodati vi\u0161e energije i zagrijati kuglice jo\u0161 vi\u0161e, vjerojatnije bi se koncentrirale na visokoenergetskim podru\u010djima i bile bi \u010dak vi\u0161e vru\u0107e nego pri beskona\u010dnoj temperaturi.<\/p>\n Boltzmanova raspodjela bi bila obrnuta, a temperature, stoga, negativne. Na prvi pogled mo\u017ee izgledati \u010dudno da je apsolutna negativna temperatura vru\u0107a nego pozitivna. To je jednostavno posljedica zastarjele definicije apsolutne temperature, ali da je definirana druga\u010dije, ova prividna kontradikcija ne bi postojala.<\/p>\n Temperatura kao igra klikerima: Boltzmanova raspodjela navodi koliko \u010destica ima odre\u0111enu vrstu energije i mogu biti prikazane pomo\u0107u kuglica raspore\u0111enih po brdovitome krajoliku. Pri pozitivnim temperaturama (slika lijevo), kao \u0161to je uobi\u010dajeno u svakodnevnom \u017eivotu, ve\u0107ina kuglica nalazi se u dolini, na minimumu potencijalne energije, te se jedva kre\u0107u; stoga posjeduju minimalnu kineti\u010dku energiju. Stanja s niskom ukupnom energijom stoga su vjerojatnija od onih s visokom – uobi\u010dajena Boltzmanova raspodjela. Pri beskona\u010dnoj temperaturi (slika u sredini) kuglice su raspore\u0111ene ravnomjerno po poljima niske i visoke energije u identi\u010dnome krajoliku. Ovdje su sva energetska stanja jednako mogu\u0107a. Pri negativnim temperaturama (slika desno), ve\u0107ina se kuglica, ipak, kre\u0107e na vrhu brijega, na gornjoj granici potencijalne energije. Njihova potencijalna energija tako\u0111er je na maksimumu. Energetska stanja s ukupnom visokom energijom stoga su \u010de\u0161\u0107a nego ona s ukupnom niskom energijom – Boltzmanova raspodjela je obrnuta. \u00a9 LMU and MPG Munich<\/em>\n Ova inverzija raspore\u0111enosti energetskih stanja nije mogu\u0107a u vodi ili bilo kojemu drugom prirodnom sustavu, budu\u0107i da bi ti sustavi trebali apsorbirati beskona\u010dnu koli\u010dinu energije – to je nemogu\u0107 poduhvat. Ipak, ako \u010destice posjeduju gornju granicu svoje energije, poput vrha brijega u krajoliku potencijalne energije, situacija bi bila potpuno razli\u010dita. Istra\u017eiva\u010di u timu Immanuela Blocha i Ulricha Schneidera sada su stvorili jedan takav sustav atomskoga plina s gornjom energetskom granicom prate\u0107i, u svojemu laboratoriju, teoretske naputke Allarda Moska i Achima Roscha.<\/p>\n U svome pokusu, znanstvenici su prvo ohladili stotinjak tisu\u0107a atoma u vakuumskoj komori do pozitivne temperature od nekoliko milijarditih dijelova jednoga stupnja kelvina te su ih uhvatili u opti\u010dke zamke napravljene od laserskih zraka. Okru\u017eenje koje \u010dini krajnje visoki stupanj vakuuma jam\u010di savr\u0161enu toplinsku izoliranost atoma od samoga okoli\u0161a. Laserske zrake stvaraju takozvanu opti\u010dku re\u0161etku u kojoj su atomi pravilno smje\u0161teni na stranicama re\u0161etke. U ovoj re\u0161etki atomi se mogu gibati s mjesta na mjesto preko “efekta tunela”, ali njihova kineti\u010dka energija ipak ima gornju granicu i stoga posjeduje tra\u017eeno gornje energetsko ograni\u010denje. Temperatura se, ipak, ne ve\u017ee samo uz kineti\u010dku energiju, ve\u0107 na ukupnu energiju \u010destica koja u ovome slu\u010daju uklju\u010duje interakciju i potencijalnu energiju. Sustav istra\u017eiva\u010da iz M\u00fcnchena i Garchinga tako\u0111er stavlja ograni\u010denje na ova dva spomenuta parametra. Fizi\u010dari zatim dovode atome do ove gornje granice ukupne energije ostvaruju\u0107i tako negativnu temperaturu od minus nekoliko milijarditih dijelova stupnja kelvina.<\/p>\n Pri negativnim temperaturama motor mo\u017ee biti u\u010dinkovitiji<\/strong><\/p>\n Ako kuglice posjeduju pozitivnu temperaturu i le\u017ee u dolini s minimalnom potencijalnom energijom, ovo stanje je o\u010digledno stabilno – to je priroda kakvu mi poznajemo. Ako su kuglice smje\u0161tene na vrh brijega s maksimalnom potencijalnom energijom, one \u0107e se uobi\u010dajeno otkotrljati i tako pretvoriti svoju potencijalnu energiju u kineti\u010dku. “Ako su kuglice u negativnoj temperaturi, njihova kineti\u010dka energija bit \u0107e tako velika da se ne\u0107e mo\u0107i vi\u0161e pove\u0107avati”, obja\u0161njava Simon Braun, doktorand u istra\u017eiva\u010dkoj skupini. “Kuglice se, dakle, ne mogu otkotrljati te ostaju na vrhu brijega. Energetsko ograni\u010denje na taj na\u010din odr\u017eava sustav stabilnim!” Stanje negativne temperature u njihovome pokusu zaista je jednako stabilno kao i stanje pozitivne temperature. “Tako smo stvorili prvo negativno stanje apsolutne temperature za \u010destice koje se gibaju”, dodaje Braun.<\/p>\n Materija pri negativnim temperaturama ima cijeli spektar zapanjuju\u0107ih posljedica: njome bismo mogli napraviti toplinske motore, poput onih s unutarnjim izgaranjem, s u\u010dinkovitosti preko 100%. Ovo, ipak, ne zna\u010di da je naru\u0161en zakon o o\u010duvanju energije. Umjesto toga, motor ne samo da bi upio energiju iz vru\u0107eg medija i tako obavljao posao, ve\u0107 bi, u suprotnosti s uobi\u010dajenim zakonima fizike, apsorbirao energiju i iz hladnijega medija.<\/p>\n Pri sasvim pozitivnim temperaturama hladniji se medij neizbje\u017eno zagrijava; tako upijaju\u0107i dio energije vru\u0107ega medija ograni\u010dava u\u010dinkovitost. Ako vru\u0107i medij ima negativnu temperaturu, mogu\u0107e je apsorbirati energiju iz oba medija istodobno. Rad koji vr\u0161i motor time je ve\u0107i od energije koju uzima samo iz vru\u0107ega medija pa je u\u010dinkovitost iznad 100%.<\/p>\n Ovo postignu\u0107e minhenskih fizi\u010dara moglo bi biti posebno zanimljivo kozmologiji, budu\u0107i da se termodinami\u010dko pona\u0161anje negativnih temperatura mo\u017ee usporediti s tzv. tamnom energijom. Kozmolozi postuliraju tamnu energiju kao neuhvatljivu silu koja ubrzava \u0161irenje svemira, iako bi se on u stvari trebao sa\u017eimati zbog gravitacijskoga privla\u010denja izme\u0111u svih masa. Postoji sli\u010dan fenomen u atomskome oblaku minhenskoga laboratorija: taj pokus se oslanja na \u010dinjenicu da atomi u plinovima ne odbijaju jedni druge kao u obi\u010dnome plinu, ve\u0107 djeluju privla\u010de\u0107i se me\u0111usobno. To zna\u010di da ti atomi o\u010dituju negativni umjesto pozitivnoga pritiska. Posljedica jest te\u017enja atomskoga oblaka k sa\u017eimanju i kona\u010dnom, zapravo, uru\u0161avanju – ba\u0161 kako bi se trebalo o\u010dekivati u svemiru pod utjecajem gravitacije. No, zbog njegove negativne temperature, to se ne doga\u0111a. Taj plin je spa\u0161en od samouru\u0161avanja, kao i na\u0161 svemir.<\/p>\n