Kvantinės dujos leidžiasi žemiau absoliutaus nulio

Lordas Kelvinas XIX a. viduryje apibrėžė absoliučios temperatūros skalę taip, kad niekas negalėjo būti šaltesnis už absoliutų nulį. Vėliau fizikai suvokė, kad absoliuti dujų temperatūra susijusi su vidutine dalelių energija. Absoliutus nulis atitinka teorinę būseną, kurioje dalelės visiškai neturi energijos, o aukštesnės temperatūros atitinka didesnę vidutinę dalelių energiją.

Tačiau šeštajame XX amžiaus dešimtmetyje fizikai, dirbantys su egzotiškesnėmis sistemomis pradėjo suvokti, kad taip yra ne visada: praktiškai sistemos temperatūra matoma iš grafiko, vaizduojančio tikimybę rasti tam tikros energijos daleles. Paprastai dauguma dalelių turi vidutinę arba artimą vidutinei energiją, ir tik kelios dalelės turi aukštesnes energijas. Teoriškai, jei situacija apsukama, kad dauguma dalelių turėtų didesnę, o ne žemesnę energiją, grafikas apsiverstų ir temperatūros ženklas pasikeistų iš teigiamo į neigiamą absoliučią temperatūrą, paaiškina Ulrichas Schneideras, fizikas iš Ludwigo Maximiliano universiteto Miunchene, Vokietijoje.

Viršūnės ir slėniai

Schneideris su kolegomis pasiekė tokią žemesnę už absoliutų nulį temperatūrą ultrašaltomis kvantinėmis dujomis iš kalio atomų. Naudodami lazerius ir magnetinius laukus, jie laikė atskirus atomus sulygiuotus. Teigiamose temperatūrose atomai stumia vienas kitą, suteikdami konfigūracijai stabilumo. Tada komanda greitai pakeitė magnetinius laukus, dėl ko atomai užuot atstūmę, pradėjo vienas kitą traukti. „Tai staiga pastumia atomus iš stabiliausios, mažiausios energijos būsenos į aukščiausią įmanomą energijos būseną, dar prieš pradedant jiems reaguoti,” sako Schneideris. „Tai primena vaikščiojimą po slėnį ir akimirksniu atsidūrimą kalno viršūnėje.”

Teigiamose temperatūrose toks apsivertimas būtų nestabilus ir atomai kolapsuotų. Bet komanda taip pat pritaikė ir laikantį lazerių lauką, kad atomams taptų energetiškai patraukliau likti savo vietose. Šis rezultatas, šiandien aprašytas Science, žymi dujų perėjimą iš vos aukštesnės už absoliutų nulį temperatūros prie keliomis milijardosiomis kelvino dalimis žemesnės už absoliutų nulį.

Wolfgangas Ketterle, fizikas ir Nobelio premijos laureatas iš MIT Kembridže, anksčiau pademonstravęs neigiamą absoliučią temperatūrą magnetinėje sistemoje, vadina tai „eksperimentiniu tour de force”. Egzotiškos aukštos energijos būsenos, kurias sunku sukurti laboratorijose teigiamoje temperatūroje, tampa stabilios neigiamoje absoliučioje temperatūroje — „lyg galėtumėte pastatyti piramidę ant jos viršūnės ir nebijoti, kad ji nugrius,” palygina jis — tad tokios technikos leidžia nuodugniai ištirti tokias būsenas. „Tai gali būti būdas laboratorijose kurti naujas medžiagos formas,” priduria Ketterle.

Jei būtų sukurtos, tokios sistemos elgtųsi keistai, sako Achimas Roschas, fizikos teoretikas iš Cologne universiteto Vokietijoje, pasiūlęs techniką, kurią Schneideris su komanda ir panaudojo. Pavyzdžiui, Roschas su kolegomis paskaičiavo, kad nors atomų debesėlį gravitacija trauktų žemyn, jei dalis debesėlio bus neigiamos absoliučios temperatūros, kai kurie atomai judės viršun, regis, paneigdami gravitaciją.

Kita žemesnės už absoliutų nulį temperatūros dujų įdomybė yra tai, kad ji mėgdžioja „tamsiąją energiją“, paslaptingąją jėgą, spartinančią visatos plėtrą, nugalinčią gravitacijos trauką. Schneider pažymi, kad traukiantys atomai komandos sukurtose dujose irgi nori kristi vidun, bet to nedaro, nes negatyvi absoliuti temperatūra juos stabilizuoja. „Įdomu, kad ši keista savybė pasireiškia visatoje ir taip pat – laboratorijoje,” sako jis. „Tai gali būti kažkas, į ką kosmologai turėtų žvelgti atidžiau.”