Atome Erreichen Rekordtemperatur, Kälter Als Absoluter Nullpunkt

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Die forscher zeigen, dass sie für einen merkwürdigen bereich von "negativen temperaturen" sogar noch niedrigere temperaturen als den absoluten nullpunkt erreichen können.

Absoluter Nullpunkt wird oft als die kälteste mögliche Temperatur angesehen. Nun zeigen die Forscher, dass sie in einem merkwürdigen Bereich "negativer Temperaturen" sogar noch niedrigere Temperaturen erreichen können.

Seltsamerweise besteht eine andere Möglichkeit, diese negativen Temperaturen zu betrachten, darin, sie heißer als unendlich zu betrachten, fügten die Forscher hinzu.

Dieser ungewöhnliche Fortschritt könnte zu neuen Triebwerken führen, die technisch zu mehr als 100 Prozent effizient sein könnten, und Mysterien wie die dunkle Energie, die geheimnisvolle Substanz, die unser Universum scheinbar auseinanderzieht, ans Licht bringen.

Die Temperatur eines Objekts ist ein Maß dafür, wie stark sich seine Atome bewegen - je kälter ein Objekt ist, desto langsamer sind die Atome. Bei der physikalisch nicht erreichbaren Temperatur von null Kelvin oder minus 459,67 Grad Fahrenheit (minus 273,15 Grad Celsius) würden die Atome aufhören, sich zu bewegen. Daher kann auf der Kelvin-Skala nichts kälter sein als der absolute Nullpunkt.

Bizarro-Minustemperaturen

Um die negativen Temperaturen zu verstehen, die Wissenschaftler jetzt entwickelt haben, könnte man sich vorstellen, dass die Temperatur auf einer Skala liegt, die tatsächlich eine Schleife ist und nicht linear. Positive Temperaturen machen einen Teil der Schleife aus, während negative Temperaturen den anderen Teil ausmachen. Wenn die Temperaturen im positiven Bereich dieser Skala unter null oder über unendlich gehen, landen sie im negativen Bereich. [Was ist das? Ihre grundlegenden Fragen zur Physik beantwortet]

Bei positiven Temperaturen besetzen Atome eher niederenergetische Zustände als hochenergetische Zustände, ein Muster, das in der Physik als Boltzmann-Verteilung bekannt ist. Wenn ein Objekt erhitzt wird, können seine Atome höhere Energieniveaus erreichen.

Bei dem absoluten Nullpunkt würden Atome den niedrigsten Energiezustand einnehmen. Bei einer unendlichen Temperatur besetzen Atome alle Energiezustände. Negative Temperaturen sind dann das Gegenteil von positiven Temperaturen - Atome besetzen wahrscheinlicher energiereiche Zustände als niederenergetische Zustände.

"Die umgekehrte Boltzmann-Verteilung ist das Markenzeichen der negativen absoluten Temperatur, und das haben wir erreicht", sagte der Wissenschaftler Ulrich Schneider, Physiker an der Universität München in Deutschland. "Das Gas ist jedoch nicht kälter als null Kelvin, sondern heißer. Es ist noch heißer als bei jeder positiven Temperatur - die Temperaturskala endet einfach nicht bei unendlich, sondern springt stattdessen auf negative Werte."

Wie zu erwarten, verhalten sich Objekte mit negativen Temperaturen auf sehr seltsame Weise. Zum Beispiel fließt Energie normalerweise von Objekten mit einer höheren positiven Temperatur zu Objekten mit einer niedrigeren positiven Temperatur - das heißt, heißere Objekte erwärmen kühlere Objekte, und kältere Objekte kühlen heißere Objekte ab, bis sie eine gemeinsame Temperatur erreichen. Die Energie fließt jedoch immer von Objekten mit negativer Temperatur zu Objekten mit positiven Temperaturen. In diesem Sinne sind Objekte mit negativen Temperaturen immer heißer als Objekte mit positiven Temperaturen.

Eine andere merkwürdige Folge von negativen Temperaturen hat mit Entropie zu tun, was ein Maß dafür ist, wie ungeordnet ein System ist. Wenn Objekte mit positiver Temperatur Energie freisetzen, erhöhen sie die Entropie der Dinge um sie herum, sodass sie sich chaotischer verhalten. Wenn jedoch Objekte mit negativen Temperaturen Energie freisetzen, können sie tatsächlich Entropie absorbieren.

Negative Temperaturen würden als unmöglich angesehen, da es normalerweise keine Obergrenze für die Energie gibt, die Atome haben können, soweit die Theorie dies derzeit vermuten lässt. (Es gibt eine Grenze für die Geschwindigkeit, mit der sie fahren können - nach Einsteins Relativitätstheorie kann nichts schneller als Licht beschleunigt werden.)

Verrücktes Physik-Experiment

Um negative Temperaturen zu erzeugen, haben Wissenschaftler ein System geschaffen, in dem Atome eine Begrenzung haben, wie viel Energie sie besitzen können. Sie kühlten zunächst etwa 100.000 Atome auf eine positive Temperatur von wenigen Nanokelvin oder Milliardstel Kelvin ab. Sie kühlten die Atome in einer Vakuumkammer ab, wodurch sie von jeglichen Umwelteinflüssen isoliert wurden, die sie möglicherweise ungewollt erwärmen könnten. Sie nutzten auch ein Netz aus Laserstrahlen und Magnetfeldern, um das Verhalten dieser Atome sehr genau zu steuern und sie in einen neuen Temperaturbereich zu bringen. [Verdrehte Physik: 7 Erkenntnisse, die den Geist beeinflussen]

"Die erreichten Temperaturen sind negatives Nanokelvin", sagte Schneider gegenüber WordsSideKick.com.

Die Temperatur hängt davon ab, wie viel Atome sich bewegen - wie viel kinetische Energie sie haben. Das Netz aus Laserstrahlen erzeugte eine perfekt geordnete Anordnung von Millionen von hellen Lichtpunkten, und in diesem "optischen Gitter" konnten sich Atome noch bewegen, aber ihre kinetische Energie war begrenzt.

Die Temperatur hängt auch davon ab, wie viel potentielle Energieatome haben und wie viel Energie in den Wechselwirkungen zwischen den Atomen liegt. Die Forscher nutzten das optische Gitter, um die potentielle Energie der Atome zu begrenzen, und sie verwendeten Magnetfelder, um die Wechselwirkungen zwischen Atomen sehr fein zu steuern, wodurch sie entweder attraktiv oder abstoßend wurden.

Temperatur ist mit Druck verbunden - je heißer etwas ist, desto mehr dehnt es sich nach außen aus und je kälter etwas ist, desto mehr zieht es sich nach innen zusammen. Um sicherzustellen, dass dieses Gas eine negative Temperatur hatte, mussten die Forscher auch einen negativen Druck ausüben und die Wechselwirkungen zwischen den Atomen basteln, bis sie sich mehr anzogen, als sich gegenseitig abstießen.

"Wir haben den ersten negativen absoluten Temperaturzustand für die Bewegung von Partikeln geschaffen", sagte der Forscher Simon Braun von der Universität München.

Neue Arten von Motoren

Mit negativen Temperaturen könnten Wärmekraftmaschinen entstehen - Motoren, die Wärmeenergie in mechanische Arbeit umwandeln, beispielsweise Verbrennungsmotoren - mit einem Wirkungsgrad von mehr als 100 Prozent, was scheinbar unmöglich erscheint. Solche Motoren würden im Wesentlichen nicht nur Energie von heißeren, sondern auch kältere Substanzen aufnehmen. Daher könnte die vom Motor geleistete Arbeit größer sein als die Energie, die der heißeren Substanz alleine entnommen wird.

Negative Temperaturen könnten auch helfen, eines der größten Mysterien der Wissenschaft zu beleuchten. Die Wissenschaftler hatten erwartet, dass die Anziehungskraft der Materie die Expansion des Universums nach dem Urknall verlangsamen würde, sie schließlich zum Erliegen bringen oder sogar für einen "Big Crunch" umkehren würde. Die Expansion des Universums scheint sich jedoch zu beschleunigen. Das beschleunigte Wachstum, das Kosmologen vermuten lassen, könnte auf dunkle Energie zurückzuführen sein, eine bislang unbekannte Substanz, die mehr als 70 Prozent des Kosmos ausmachen könnte.

In ähnlicher Weise sollte der negative Druck des von den Forschern erzeugten kalten Gases dazu führen, dass es zusammenbricht. Die negative Temperatur hält es jedoch davon ab. Negative Temperaturen können als solche interessante Parallelen zur dunklen Energie haben, die den Wissenschaftlern helfen, dieses Rätsel zu verstehen.

Negative Temperaturen könnten auch exotische Zustände der Materie beleuchten und Systeme erzeugen, die ohne sie normalerweise nicht stabil wären. "Ein besseres Verständnis der Temperatur könnte zu neuen Dingen führen, an die wir noch nicht gedacht haben", sagte Schneider. "Wenn Sie die Grundlagen gründlich studieren, wissen Sie nie, wo sie enden könnten."

Die Wissenschaftler detaillierten ihre Ergebnisse in der Ausgabe der Zeitschrift Science vom 4. Januar.

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