Onder absolute nulpunt is het warmer
Zoals de meeste lezers heeft uw nederige verslaggever op school geleerd dat de temperatuur niet onder het absolute nulpunt, -273,15 graden Celsius of 0 graden Kelvin, kan zakken. Groot was dan ook zijn verbazing toen hij las dat enkele wetenschappers een temperatuur hadden weten te bereiken die daaronder ligt. Sterker nog, de stof was bij die temperatuur heter dan bij enige positieve temperatuur.
Om uit te leggen hoe hen dat lukte, moeten we eerst wat achtergrond geven over hoe temperaturen gemeten worden. Dat gebeurt namelijk aan de hand van de snelheid waarmee atomen bewegen. Hoe sneller de deeltjes bewegen, des te hoger de temperatuur. Het absolute nulpunt kan dan ook eenvoudig afgeleid worden: dat is het moment waarop de deeltjes stilstaan.
Maar de atomen bewegen niet allemaal even snel. Sommige deeltjes bewegen heel snel, terwijl andere weer heel langzaam bewegen. De langzame deeltjes zijn daarbij in de meerderheid. De verdeling tussen de twee heet in de wetenschapswereld de Boltzmann-verdeling.
Nu is het de onderzoekers van de Ludwig-Maximilians University Munich en het Max Planck-instituut gelukt om deze Boltzmann-verdeling om te draaien, waardoor weinig deeltjes langzaam zijn, en de meerderheid snel. In essentie geeft deze inversie hen dit een negatieve temperatuur, want de omgekeerde Boltzmann-verdeling is dé indicator van negatieve temperaturen. Maar, zegt onderzoeker Ulrich Schneider, de substantie is niet kouder dan een substantie op 0 Kelvin, maar heter.
Om dat te begrijpen moeten we naar de andere kant van de temperatuurschaal kijken. Als op 0 Kelvin, dat wil zeggen met nul energie, de verhouding tussen snelle en langzame deeltjes 0% tegen 100% is, dan is de verdeling aan het andere eind, bij oneindige energie 50% tegen 50%.
Wat je hieruit wellicht opmaakt, is dat Schneider en z'n collega Emmanuel Bloch over de 50/50 verdeling zijn gegaan, en dus meer dan oneindig energie aan de deeltjes hebben weten te geven! Nu is dat natuurlijk onmogelijk. Hoe hebben ze die verhouding dan toch bereikt?
Dat is ze gelukt door deeltjes met moderne laboratoriumtechnieken in zo'n toestand te krijgen dat hun maximumenergie lager kwam te liggen dan oneindig. Daarna brachten de onderzoekers de deeltjes tot aan hun maximumenergie, waardoor de deeltjes een temperatuur van enkele miljardsten onder het absolute nulpunt kregen.
Schneider concludeert: "Het is zelfs nog heter dan enige positieve temperatuur - de temperatuurschaal stopt simpelweg niet bij oneindig, maar springt in plaats daarvan."
Je zult je nu wellicht afvragen wat voor nut dat zou kunnen hebben. Ook dat hebben de onderzoekers weten te beantwoorden. Zo zouden ze daarmee een verbrandingsmotor met meer dan 100% efficiëntie kunnen bouwen. Nu gaat een deel van de energie van de brandstof over in warmte van de motor. Maar als die is gemaakt uit een nog warmere stof, neemt de motor geen energie op, maar geeft het juist af.
Tenslotte moet nog bemerkt worden dat het bovenstaande een versimpeling van een versimpeling is. Zo is er geen binaire tegenstelling van snelle en langzame deeltjes, maar is dat een geleidelijke verdeling. Eenieder die geïnteresseerd is geraakt door bovenstaande, raad ik dan ook van harte aan om het originele artikel te lezen.
