Чого може навчити нас Далай-лама про температури нижче абсолютного нуля?
Ось коротка відповідь. Досягти негативної температури можна. Насправді вперше це зробили ще у 1951 році. Але це досягнення не слід розуміти буквально - за негативної температури не є холодніше, ніж за абсолютного нуля. Наприклад, неможливо охолодити якусь річ настільки, щоб її температура впала нижче абсолютного нуля. Насправді, як я спробую пояснити, предмети за негативної температури поводяться так, начебто вони ГАРЯЧІШІ, ніж предмети за будь-якої позитивної температури.
ЧИТАЙТЕ ТАКОЖ: Бозон Хіггса: привід для торжества. Але чи буде він нашим останнім великим відкриттям?
Щоб зрозуміти це, нам слід спочатку з'ясувати, що фізики мають на увазі під температурою. Можливо, ви пам'ятаєте зі шкільної фізики або хімії, що температура вимірює середню кінетичну енергію руху часток. Коли ви нагріваєте речовину, ви прискорюєте рух її молекул, а коли ви охолоджуєте її, ви його уповільнюєте.
Температура вимірює середню кінетичну енергію руху часток. Коли ви нагріваєте речовину, ви прискорюєте рух її молекул, а коли ви охолоджуєте її, ви його уповільнюєте.
Це визначення дійсно мало сенс для мене, коли я міг побачити його на власні очі, тож ось вам модель, щоб ви могли погратися з молекулами газу. Увімкніть свій обігрівач, а потім покрутіть регулятором, щоб додати або забрати тепла, і подивіться, що станеться.
Начебто все просто. Але фізики зрозуміли, що це визначення температури не завжди працює, тому що є ще інші типи енергії, окрім кінетичної. Бувають навіть ситуації, коли об'єкт має енергію, але не відбувається ніякого руху у його традиційному сенсі. Йдеться, наприклад, про спіни, відмінні від нуля, у магніті, або одинички та нулі на вашому жорсткому диску. Це по суті квантові системи, у яких немає сенсу говорити про рух речей, але все одно можна стверджувати, що вони мають певну енергію. Стало ясно, що фізиці необхідне більш фундаментальне визначення температури, що врахувало б ці можливості.
Квантові системи, у яких немає сенсу говорити про рух речей, але все одно можна стверджувати, що вони мають певну енергію. Стало ясно, що фізиці необхідне більш фундаментальне визначення температури, що врахувало б ці можливості.
Ось нове визначення, яке вигадали фізики. Температура вимірює готовність об'єкта віддати енергію. Фактично я збрехав. Вони насправді зовсім не так визначають температуру, тому що фізики розмовляють мовою математики, а не англійською. Вони визначають її як 
Температура обернено пропорційна нахилу кривої, що пояснює залежність ентропії від енергії.
Тепер, якщо ви не розумієте математики, я поділюся з вами однією маленькою таємницею. Вам не треба знати ані математики, ані фізики, щоб розуміти, що таке температура. Ви можете скористатися на диво точною аналогією. Я вперше дізнався про неї ще студентом, у чудовому підручнику з теплофізики Деніела Шредера.
Уявіть собі світ, у якому люди постійно обмінюються грошима для досягнення щастя. Це, ймовірно, не так важко уявити. Але є невеликий нюанс.
Люди у цьому суспільстві домовилися, що вони прагнутимуть до максимізації щастя - не лише свого щастя, а й загального щастя у суспільстві. Це має несподівані наслідки. Наприклад, у суспільстві можуть бути деякі люди, які дуже радіють, коли вони заробляють багато грошей. Ми могли б назвати їх жадібними. Інших людей небагато цікавлять гроші - вони стають дещо щасливішими, коли заробляють їх, і дещо сумнішими, коли їх втрачають. Ці люди є щедрими - якщо вони грають за правилами гри, вони повинні давати гроші жадібним людям задля максимізації щастя суспільства.
Так для чого ж я винаходжу цю соціалістичну утопію з невпинним перерозподілом доходів? Це тому, що вона є близьким аналогом до фізики тепла, як сказав Стівен Колберт, реальність є упередженою лібералкою ("лібералкою" в американському значенні цього слова - iPress.ua).
Ось аналогія. Соціалістична комуна є тим, що фізики називають ізольованою системою. Люди є об'єктами у цій системі. Гроші, якими вони обмінюються, є насправді енергією - загальна кількість якої зберігається, але якою постійно обмінюються. Щастя є ентропією - так само, як суспільство хоче максимізувати щастя, фізичні системи прагнуть до максимізації загальної ентропії. І, нарешті, щедрість є температурою, готовністю людей (об'єктів) віддавати гроші (тобто енергію).
Соціалістична комуна є тим, що фізики називають ізольованою системою. Люди є об'єктами у цій системі. Гроші, якими вони обмінюються, є насправді енергією - загальна кількість якої зберігається, але якою постійно обмінюються. Щастя є ентропією - так само, як суспільство хоче максимізувати щастя, фізичні системи прагнуть до максимізації загальної ентропії. І, нарешті, щедрість є температурою, готовністю людей (об'єктів) віддавати гроші (тобто енергію).
Це забагато, щоб запам'ятати, тому ось для вас зручний словничок, який дозволяє перекласти нашу аналогію на реальну фізику:
ГРОШІ <=> ЕНЕРГІЯ
ЩАСТЯ <=> ЕНТРОПІЯ
ЩЕДРІСТЬ <=> ТЕМПЕРАТУРА
Підглядаючи у цей словничок, усе, що ми кажемо про нашу комуну, ми перекладаємо на твердження з фізики.
Тепер уявіть, що наше суспільство складається з таких людей, як Воррен Баффет. Спочатку, коли вони бідні, заробляння грошей робить їх дуже щасливими. Але, коли вони стають багатшими, така сама сума грошей вже не робить їх настільки ж щасливими. Якщо на графік нанесете щастя та багатство цих людей, подібних на Баффета, то залежність між ними виглядатиме приблизно так.
Для Баффетів показник щастя на долар (жадібність) падає із зароблянням більшої кількості грошей.
У цьому світі кожен долар приносить вам менше щастя, ніж останній. Таким чином, щоб максимізувати загальне щастя, багатий Баффет повинен віддати гроші бідному Баффету. Це світ, у якому люди стають щедрішими, коли багатіють. Або ж система, температура якої зростає, коли вона отримує енергію.
У цьому світі кожен долар приносить вам менше щастя, ніж останній... Це світ, у якому люди стають щедрішими, коли багатіють.
Крива Баффета описує нормальні частки, які ми знаємо і любимо, температура яких зростає разом з нагріванням. Це атоми, що хитаються у твердих тілах, рідинах або газах.
Тепер, замість цього, розглянемо світ людей-скнар, таких як дядько Скрудж. Кожен долар, який вони заробляють, робить їх більш щасливими, ніж попередній зароблений долар.
Для Скруджа щастя на долар (жадібність) зростає, коли він багатіє.
На відміну від Баффетів, якщо багатий Скрудж дає долар бідному Скруджу, це призведе до зниження загального щастя Скруджів. Іншими словами, щедрість Скруджів знижується, коли вони заробляють більше грошей. Якщо скористатися нашим словником, це система, температура якої падає, коли вона отримує енергію.
Щедрість Скруджів знижується, коли вони заробляють більше грошей. Якщо скористатися нашим словником, це система, температура якої падає, коли вона отримує енергію.
Подумайте про це ще раз. Чи дійсно може існувати об'єкт, який стає холоднішим, коли ви даєте йому енергію?
Це дійсно може відбуватися, якщо є кілька часток, які притягуються одна до одної.Зірки не розпадаються через дію сили тяжіння, і вони поводяться саме таким чином. Коли зірка втрачає енергію, її температура зростає. Дайте зірці енергію, і ви насправді її охолодите. Чорні діри також поводяться саме таким дивним чином - що більше енергії вони отримують, то більшими вони стають, але, водночас, холоднішими.
І якщо це пояснення не було достатньо нелогічним для вас, ось ще один сценарій. Уявіть світ людей, що досягли просвітлення - вони фактично стають щасливішими, коли втрачають гроші.
У цьому прикладі кожен долар, що його отримує Далай-лама, фактично робить його сумнішим. Тоді природною схильністю людей буде віддавати усі свої гроші тому, хто готовий взяти їх. Ця дивна, перевернута крива, є саме тією ситуацією, яка призводить до негативних температур - просто перейменуйте щастя на ентропію та гроші на енергію (з точки зору математики крива має від'ємний нахил, так що вона повинна мати негативну температуру).
Що відбувається, коли об'єкт з негативною температурою об'єкта зустрічається з об'єктом з позитивною температурою? Щоб з'ясувати це, уявіть собі, що Далай-лама зустрівся з Ворреном Баффетом.
Як це не парадоксально, Далай-лама віддасть свої гроші мільярдеру, тому що втрата грошей зробить його щасливим, а отримані гроші зроблять Баффета лише трішки щасливішим.У цьому дивному обміні зростає загальне щастя. Якщо скористатися нашим словником, енергія перетікає від об'єкта з негативною температурою до об'єкта з будь-якою позитивною температурою!
енергія перетікає від об'єкта з негативною температурою до об'єкта з будь-якою позитивною температурою!
Це може звучати як щось вигадане занадто завзятим теоретиком. Але є реальні матеріали, у яких крива залежності ентропії та енергії виглядає як крива Далай-лами (залежності щастя та грошей), тобто де температура є негативною.
Щоб отримати їх, слід спочатку спроектувати систему, яка має верхню межу своєї енергії. Це дуже рідкісне явище - нормальні, повсякденні речі, з якими ми взаємодіємо, мають кінетичну енергію руху, і для їхньої кінетичної енергії не існує верхньої межі.
Системи з верхнім обмеженням енергії не хочуть перебувати у цьому найвищому енергетичному стані. Так само, як Далай-ламу не влаштовує велике багатство, ці системи мають низьку ентропію (тобто низьку ймовірність знаходження у) у своєму високоенергетичному стані. Ви повинні експериментальним чином змусити систему поводитися саме так.
Вперше це зробили у своєму геніальному експерименті Перселл та Паунд у 1951 році, коли їм вдалося заманити спіни ядер у кристалі фториду літію у саме такий малоймовірний високоенергетичний стан. У цьому експерименті вони підтримували негативну температуру протягом декількох хвилин. Відтоді негативних температур вдавалося досягти у багатьох експериментах, і зовсім недавно її досягли у зовсім іншій сфері, в ультрахолодних атомах квантового газу у лазерній пастці.
Температура є набагато складнішим явищем, ніж те, що ми вимірюємо на термометрі.
Від чорних дір до квантових газів ця аналогія показує нам, що температура є набагато складнішим явищем, ніж те, що ми вимірюємо на термометрі.
Джерело: empiricalzeal.com
Переклад: ipress.ua
