Предсказан газ с отрицательной кинетической температурой
|
Предсказано новое состояние вещества: газ с отрицательной кинетической температурой. Именно так должен вести себя газ атомов в поле световой волны и специфических внешних сил. Экспериментальная проверка этих предсказаний возможна уже сейчас.
В термодинамике температура тела (например, газа) не просто задает «среднюю» энергию отдельной частицы, а описывает распределение частиц по энергиям. Низкая температура означает, что есть много частиц с очень низкой энергией, а количество частиц с высокой энергией незначительно. Высокие температуры означают, что количество частиц с высокой энергией не так уж и мало. В этом смысле, «бесконечная» температура должна означать, что в системе есть частицы со сколь угодно большой энергией. Отрицательная же абсолютная температура есть синоним роста количества частиц со все более высокой энергией.
Казалось бы, случаи бесконечной и отрицательной температуры невозможны, так как полная энергия системы должна становиться бесконечной. Однако они могут реализовываться в тех системах, где существует некоторый «энергетический потолок». Таковы некоторые квантовые системы с конечным числом энергетических уровней. В частности, именно в такой системе зарождается и усиливается лазерное излучение (в этом случае обычно говорят об инверсной заселенности уровней, см. подробности в популярной статье о лазерах М. Ф. Сэм, Соросовский образовательный журнал, 1996, №6, с. 92–98). Впрочем, на таких системах все примеры до сих пор и заканчивались.
В недавней статье A. P. Mosk, Physical Review Letters, 95, 040403 (21 July 2005) (статья также доступна как cond-mat/0501344) голландский физик открыл «на кончике пера» и другую, более интригующую возможность: систему с отрицательной кинетической температурой. В такой системе инверсная заселенность касается не каких-то невидимых глазу внутренних степеней свободы, а самой обычной кинетической энергии.
Автор предлагает изучить поведение атомов в поле стоячей световой волны. Периодическую и стабильную структуру электромагнитного поля в такой волне можно рассматривать как самый настоящий «кристалл из света». В полной аналогии с движением электронов в обычном кристалле, в таком световом поле атомы могут двигаться не как попало, а только с энергиями, попадающими в «разрешенные энергетические зоны». Опять же, в полной аналогии с валентной зоной электронов в попупроводниках, в этом случае тоже будет валентная зона для движения атомов. Особенность атомов, находящихся в этой зоне, состоит в том, что их «эффективная масса» как бы становится отрицательной.
Такая отрицательная масса означает, что кинетическая энергия частиц будет отрицательна, и состояние наименьшего движения (нулевая скорость) отвечает наибольшей кинетической энергии. Газ атомов с такими необычными свойствами как раз и описывается отрицательной температурой. Автор в статье показывает, что такое состояние будет достаточно стабильным.
Во избежание недоразумений, необходимо четко подчеркнуть, что в последних двух абзацах речь идет именно об эффективной массе атомов-квазичастиц. Явления такого типа есть усредненное следствие взаимодействий многих частиц и давно известны в физике конденсированных сред. Реальная масса каждого конкретного «настоящего» атома, конечно, остается положительной и постоянной (см., например, классический обзор полувековой давности Басов, Крохин, Попов, УФН, 1960, №10 или главу Зонная теория твердых тел из брошюры Электроны в твердых телах).
Автор работы отмечает, что газ с отрицательной температурой можно довольно легко получать из обычного газа с небольшой, но положительной температурой (см. рисунок). Так что экспериментальное исследование этого нового, не побоюсь сказать, раздела физики атомов и молекул возможно уже и сейчас. Одним из самых будоражащих воображение возможностей будет получение бозе-конденсата с отрицательной температурой и наблюдение в нем сверхтекучести.
Поистине, какие только экзотические состояния вещества не открывают физики!
Игорь Иванов
