負的絕對溫度已經成為可能!
2021-01-19 苯寶寶公開課【因為英國退歐造成的精神打擊和實驗報告太多，很久沒更了，所以這次就寫長一點哈哈哈！】
說起來，慕尼黑真的很想低調啊！但是根本低調不起來。
這城市有太多值得驕傲的東西了。比如拜仁球隊（小新！穆勒！）、啤酒節、英國花園、華格納、Breze、激（nan）昂（ting）的重金屬……
話說喝啤酒這個傳統，大清年代就已經有了。
康有為詩一首為證：
免恨京三詠（一）：啤酒
啤酒尤傳免恨名
創於湃認路易傾
吾曾入飲王酒店
三千人醉飲如鯨
註：免恨=慕尼黑；湃認=拜仁；路易傾=拜仁國王Ludwig一世；王酒店=某啤酒花園……
哈哈哈哈哈哈哈！！！！笑死寶寶了！！！！！
不過呢，慕尼黑最讓主頁菌喜歡的，還是兩所牛氣沖天的大學……
TUM慕工大，就是主頁菌現在所在的大學，理工特長，極客滿街~
還有一個叫LMU，路德維希馬克西馬裡安慕尼黑大學，簡稱慕大，是一所更加綜合性的大學，有文科有理科，但是沒有工科。
大家知道，一座城市有兩所好大學以後，他們絕對會互黑……
圖解：白條紋的黑斑馬和黑條紋的白斑馬彼此世代為仇……
比如說，主頁菌的同學們總是會黑一黑LMU的小夥伴們考試無壓力整天曬太陽終年不學習什麼的。
不過，自從主頁菌讀了一篇LMU物理系的論文以後，再也不敢黑他們了……
他們居然搞出了負的絕對溫度！！！！！
絕對零度是-273.15攝氏度。至今沒有實驗成功達到這個溫度，當然熱力學定律告訴我們，這個溫度是不可能達到的。
但是熱力學並沒有說低於絕對零度的溫度不能達到啊！
當然一般我們會覺得，你絕對零度都達不到，還想比它低？笑死了哈哈哈！
LMU的物理學家們（以Ulrich Schneider博士帶頭的七人小組）卻覺得，機會來了。
是這樣的……
想要達到負溫度，為什麼一定要給正常溫度的物質降溫呢？ 【微笑臉】
我們可以走另一個方向——升溫啊！
熱力學中有另一個測量溫度的指標，叫β(beta)。它和我們常見的溫度T的關係是：
這裡的T是絕對溫度。絕對溫度等於生活中的攝氏溫度再加上273.15，單位是K，比如生活中的25°C等於絕對溫度(273.15+25)K=298.15K。k就是一個名叫「波爾茲曼」的常量。關于波爾茲曼這個人，我們的物理團隊今年會趕在他生日之前紀念他的！
我們重要的話再說兩遍：
這個公式最重要的信息是：這個新的溫度標準β和正常的絕對溫度T是反比例關係。
所以……
如果正常的絕對溫度T是正的，那麼β也是正的，並且β隨著T的增大而減小。
當溫度高到不能再高的時候，也就是T等於無窮大的時候，β很淡定地說：
你們無法想像無窮大的溫度有多熱吧，而我β，只是減小到0了而已……
β還說：我還可以繼續減小啊，變成負的也無所謂~
這時候，絕對溫度T也變成負的了…
也就是說，我們可以先把β減小到0，然後再把它變成負的，這意味著先把正常溫度T變到無窮大，然後再把T變成負的 ：）
你看，要得到負溫度，不一定要走「絕對零度」這條路吧！
但是，讓溫度無窮高，似乎不比達到絕對零度簡單？？？
人有多大膽，T有多大膽！科學有險阻，苦戰能過關！
LMU的戰友們的想法是：不要管能不能讓絕對溫度達到無窮大啦；我們想想能不能讓β等於0吧【微笑】。
這倆說法雖然數學上並沒有區別，但是給人的感覺是不一樣的。
「T=∞」的感覺是，好熱好熱好熱呀。
燙燙燙燙燙……燙燙燙燙燙……
而β=0卻是一個很技術性的概念。
大家知道，溫度和分子的熱運動有關，運動的東西就有動能。
有的分子能量高（速度快），有的分子能量低（速度慢）。那麼快的分子和慢的分子在一坨分子中佔的比例如何呢？
答案就是下面這個公式，它叫做「波爾茲曼分布」。
呃。這個公式是什麼鬼？
其實重點就是這樣的：
當β是正的的時候，等號右邊的這個東西會小於1。所以慢的分子比快的分子要多。越快、能量越高的分子，數量就越少。
橫坐標表示能量，縱坐標表示數量。這張圖指出：正常情況下，能量越高的分子，數量越少。盜圖自：umdberg.pbworks.com
（事實與此略有不同，主要還要考慮一個叫做「簡併度」的東西，所以這個分布會先達到一個峰值再下跌。但我們不要在意這些細節……）
現在我們讓絕對溫度T升高，也就是讓β變小……
β越小，等號右邊的東西就越大，快分子和慢分子的數量就越接近。
當β等於0的時候，所有能量的分子都一樣多啦！ ：）
請大家自己腦補這時候的能量分布曲線~
當β小於0，等號右邊的東西會大於1，也就是說，快的分子會比慢的分子多！這時的能量分布曲線是倒過來的，右高左低。
所以，只要我們創造一個體系，使得能量越高的分子數量越多，我們就可以自信地說，我們創造了負的β，也就是達到了負的絕對溫度T啦。
一顆賽艇！
那麼LMU的戰友們是怎麼做到的呢？
還請大家仔細觀察上上張圖中的右高左低的曲線。我們發現，為了讓這種分布情況實現，分子理論上所能擁有的能量必須有個上限（圖中的Emax）。
原因很簡單，如果能量沒有上限，而我們又想讓能量越高的分子數量越多，那麼分子的數量也沒有上限了。那還怎麼玩啊，整個宇宙也滿足不了我們啊！！
同時，分子理論上所能擁有的能量不能有下限。這樣一來，由於分子無論如何不可能無限釋放能量，所以能量無限低的地方分子數量一定趨於0，所以總能找到一個區域，使得能量越低，分子的數量越少。
LMU的戰友們用很多束相撞的雷射造了一個「盒子」，把幾十萬個鉀原子裝了進去。之所以說它是盒子，因為東西進去就出不來了。
這個學名為Mott insulator的雷射盒子的特點是，分子的動能只能取到有限的幾個值。這樣一來，能量的上限就有了。
雷射盒子圖解……盜圖自：ntt-review.jp
怎麼搞定無下限這個要求呢？既然動能有上限也有下限，那麼他們就在勢能上開刀。首先是原子之間相互作用產生的勢能。他們用了一個叫Feshbach共振的東西，把本來互相排斥的原子變成互相吸引的。因為引力這種東西，兩個原子靠得越近，勢能就越低。理論上來說，只要兩個原子挨得足夠近，多低的能量都能達到。事實上達不到，因為兩個原子一撞就各自飛走了。但事實上達不到沒關係，理論上無下限就好。
最後，他們把雷射盒子內的局部小環境的勢能改成了有上限沒下限的。（這個主頁菌也不知道是怎麼做到的……）
然後真的成功了……
下面兩張圖中，越紅的區域表示此處原子越多，越中心的區域表示動能越小（原子都懶得動了，所以呆在中間；運動得更快的原子總想逃出去，所以出現在邊緣）。藍色框框中是正溫度的情況：動能越小的原子（中央）數量越多，而紅色框框中是他們實驗做出來的負溫度圖像：動能越大的原子（邊緣）數量越多！！注意這是實驗的真實結果，不是理論計算！！
這兩張圖來自他們2013年在Science上發的論文《運動自由度下的負絕對溫度》。主頁菌論文看到這裡真的拍案叫絕！
本文已經被引用92次，在理論物理領域絕對是個大新聞。
這個成果意味著至少三件事：
逆天
負的溫度可以導致負的壓強，從而為解釋宇宙中的暗物質提供可能
效率大於100%的熱機（但是不是永動機！熱力學第一定律永不可破！）
所以，有時候即使沒有球賽，慕尼黑也是很exciting的。
小問答：
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什麼是負溫度?難道比絕對零度還冷?
本文來自：百度知道日報組成物質的分子不斷地做熱運動，在宏觀上就體現為溫度，它是物體分子運動平均動能的標誌。分子運動越劇烈，則物體的溫度就越高，反之亦然。因此，物體的溫度存在一個下限，那就是當分子運動完全停止之時，此時的溫度被稱為絕對零度（約為零下273.15攝氏度）。 -
為何物質的溫度永遠不可能低於負273℃?可算理解「絕對零度」了
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」負溫度「:其實是非常高的溫度?
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為何這種物質的溫度永遠不可能低於負273℃?
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為何物質溫度永遠不可能低於負273度?今天才理解「絕對零度」
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