科学者が原子雲を絶対零度以下に送り込む

絶対零度（ケルビン度0度、華氏-459.67度）は、教科書的な定義によれば、物質の絶対的な最低温度、つまり原子が運動エネルギーをすべて失い、完全に運動を停止する温度閾値（またはエントロピーが最低値に達する温度）と理解されている。完全に静止している状態よりも静止している状態は存在し得ないため、絶対零度は物質のエネルギーが最も低い状態だ。そうだろう？しかし研究者らは、それが必ずしも事実ではないことを発見した。ドイツのミュンヘン大学の物理学者チームは、システム内の高エネルギー原子と低エネルギー原子の分布を操作して、絶対零度よりも低い温度を持つ負の温度システムと定義されるものを作成した。

研究者たちは、このシステムを丘と谷に例えて説明しています（想像してみてください）。絶対零度では、原子の集団はエネルギーを持たず動かないため、すべての原子は谷底にあります。温度が絶対零度を超えて上昇すると、状況は変化しますが、すべてが一度に変わるわけではありません。一部の粒子はエネルギーを大きく得て、一部はわずかにしか得ないため、原子は異なるエネルギーを持ち、谷から山頂まで丘の斜面に沿って広がります。物理学によれば、このシステムで最も無秩序な状態は、斜面に沿ったすべての地点に同数の粒子があるときに発生し、それが正の温度スケールの最高点です。エネルギーをさらに増加させると、粒子は均等に広がっておらず、システムのエントロピーが低下します（このすべての詳細な説明については、New Scientist の記事をクリックしてください）。

要点は、エネルギーの丘の頂上に高エネルギー粒子が一定数存在し、谷間にそれよりも多い数の粒子が存在する場合、正の温度スケールにあるということです。そこで、ミュンヘン大学の研究者は理論上の負の温度スケールに到達するために、モデルを反転させ、谷間よりも丘の頂上に高エネルギー粒子を多く配置しました。ニューサイエンティスト誌はこう述べています。

結果として得られる温度計は、目盛りがゼロから始まり、プラスの無限大まで上昇し、マイナスの無限大にジャンプし、その後負の数を増やしていき、エネルギーの丘の頂上にあるすべての粒子に対応するマイナスの絶対零度に達するという、驚くべきものです。

これは地球上で自然に起こる傾向のある現象ではないと言えば十分でしょう。研究者たちは、ほとんどの粒子が低エネルギー状態にある絶対零度よりわずかに高い真空中に原子を配置し、その後レーザーを使用してそれらの大多数をエネルギーの丘の上のより高いエネルギー状態に押し上げることで、マイナス温度領域に踏み込みました。この逆エネルギー分布は、理論上はマイナス温度システムです。

これが興味深いのは、温度の下限を突破したように見えるからだけではなく、負の温度システムは物理学者が正の温度領域では不可能な量子相互作用の実験を手助けできるかもしれないからです。そして、負の温度になることは常に興味深いことです。特に、すべての粒子には反粒子（正と負）があると仮定する特定の宇宙論に興味がある場合はなおさらです。たとえば、私たちが見ることができる宇宙と暗黒宇宙があり、その暗黒エネルギーは宇宙に負の圧力をかけると考えられています。おそらく、その神秘的なものも負の温度を示すでしょう。

ニューサイエンティスト