負(fù)溫度：顛倒了的物理世界

負(fù)溫度：顛倒了的物理世界導(dǎo)語：年元旦剛過，德國物理學(xué)家烏爾里克?斯奈德便發(fā)布了一項新成就：實現(xiàn)了處于比絕對零度還低的“負(fù)溫度”狀態(tài)的氣體。其實，所謂的“負(fù)溫度”并不是一項新發(fā)明，也不是不可思議的極低溫。恰恰相反，那可以說是非常高的溫度。小孩子玩的游戲中有一種“反了的世界”，那里一切都是反著來的：說左邊指的是右邊，說對意味著錯，說好則表示壞等等。這樣顛倒了的世界并不僅僅是人們的想象，它們在物理世界中也存在著。比如大家可能聽說過的反物質(zhì)，它與相應(yīng)的尋常物質(zhì)在很多性質(zhì)和行為上都是反著來的。年元旦剛過，德國物理學(xué)家烏爾里克?斯奈德便發(fā)布了一項新成就：實現(xiàn)了處于比絕對零度還低的“負(fù)溫度”狀態(tài)的氣體。這個結(jié)果通過新聞界報道引發(fā)了對溫度的好奇。其實，所謂的“負(fù)溫度”并不是一項新發(fā)明，也不是不可思議的極低溫。恰恰相反，那可以說是非常高的溫度，以至于無法用通常的溫度概念描述。這也是一個與經(jīng)驗相反的顛倒世界。人類對溫度的認(rèn)識起始于日常生活中的體驗：夏天很熱、冬天很冷。日曬、火烤等可以使物質(zhì)由冷變熱。熱的物體又可以通過接觸等方式使冷的物體變熱，同時自己變冷。溫度便是物體冷熱程度的一個度量。初始的溫度也就以大家熟悉的狀態(tài)來衡量。我們沿用至今的攝氏溫標(biāo)和華氏溫標(biāo)都是早在18世紀(jì)就已發(fā)明的。前者將水結(jié)冰的狀態(tài)定為0度，水沸騰為10度0；后者則用水的冰點和人的體溫做標(biāo)度參照。這兩種溫標(biāo)所表示的溫度都只是相對性的，其數(shù)值本身沒有意義。攝氏零度以下的“負(fù)溫度”只是說比水結(jié)冰的溫度還要低，在冬天很常見，并沒有什么不尋常的地方。19世紀(jì)中期，物理學(xué)家通過熱力學(xué)研究逐漸認(rèn)識到所謂的熱其實是物質(zhì)中分子或原子的運動，熱的傳導(dǎo)便是這種熱運動能量的傳遞，而溫度便是對該能量的度量。溫度越高，分子熱運動越激烈，而溫度越低，熱運動便趨于緩慢。由此推論，溫度不是沒有下限的——可以想象，在某一個極其寒冷的低溫，所有的熱運動都會停止，所有的原子分子都靜止，這便是最低溫度的極限，不可能存在比那更低的溫度。184年8，英國物理學(xué)家開爾文爵士據(jù)此提出一個更為科學(xué)的溫標(biāo)。所謂的開爾文溫標(biāo)實際上就是攝氏溫標(biāo)，只是重新標(biāo)度了0度。開爾文溫標(biāo)的0度便是上述的溫度極限——也就是“絕對零度”，相當(dāng)于攝氏-273度.。1因5此，水的冰點在開爾文溫標(biāo)中便成為273.度1，而5水沸騰的溫度則是開氏373.度1。熱力學(xué)研究還發(fā)現(xiàn)，不僅僅不存在絕對零度以下（負(fù)溫度）的狀態(tài)，絕對零度本身也是無法達(dá)到的。此后發(fā)現(xiàn)的量子力學(xué)之測不準(zhǔn)原理更說明原子是不可能絕對靜止，因此不可能存在處于絕對零度的系統(tǒng)。目前所知的最接近絕對零度的物質(zhì)是在實驗室里人為創(chuàng)造出來的?？茖W(xué)家通過激光制冷手段可以將處于氣體狀態(tài)的原子冷卻到極低溫，并因此實現(xiàn)玻色-愛因斯坦凝聚。200年3，麻省理工學(xué)院的實驗室將鈉原子降到 （是的負(fù)次方開爾文度），是現(xiàn)在的最低溫記錄。溫度也是熱平衡的標(biāo)志。不同溫度的物體放到一起，熱的會變冷，冷的會變熱，直到它們都有著同樣的溫度為止。但溫度不是平衡態(tài)的唯一標(biāo)志。兩杯溫度相同，但一杯染了紅色一杯染了黃色的水接觸后也會互相混合，直到顏色達(dá)到一致（橙色）為止。不同顏色的融和過程是一種從有序走向無序的過程。混合前兩種顏色涇渭分明，混合后則一片均勻，失去了按顏色“站隊”的秩序。這兩種走向平衡的過程都是所謂的“不可逆過程”。不同溫度物體放一起會自動地達(dá)到同樣溫度，卻不可能自動地恢復(fù)一頭熱一頭冷狀態(tài)；兩種顏色的液體會自動混合，卻絕不會自己回到分離的顏色情形。同樣地，一杯水打翻在桌面上，水會自然地流散開，卻不會聚攏回到杯子里，這也就是常說的“覆水難收”。為了描述這種不可逆過程，德國物理學(xué)家魯?shù)婪?克勞修斯在年提出了一個叫做“熵”的概念。這個生僻的詞在希臘文中的原意是“轉(zhuǎn)變的方向”?？藙谛匏怪赋觯粋€孤立系統(tǒng)會自發(fā)地向熵值增加的方向演變，而相反方向的過程必須通過外力幫忙才能實現(xiàn)。后來的統(tǒng)計物理學(xué)研究為熵作出了更為清楚的定義：熵值描述的是系統(tǒng)在可能占有的微觀狀態(tài)上的分布程度。如果一個系統(tǒng)只占有小部分的狀態(tài)，比如固體中分子只在固定的晶格點附近振動或者按照顏色站好隊的水，它的熵值便比較低。反之，流體中分子可以完全自由運動；不同顏色融合后的分子間的分布組合也大大增加，其熵值也就比較高。熵還為溫度本身提供了一個更為嚴(yán)格的定義。因為熱運動并不是系統(tǒng)唯一的能量來源，把溫度簡單地看作熱能的衡量并不準(zhǔn)確。物理系學(xué)中的溫度是改變一個系統(tǒng)的熵所需要的能量。在不同的狀態(tài)下，將一個系統(tǒng)的熵改變一定量時所需要的能量是不同的，而這正是系統(tǒng)溫度的不同。在我們?nèi)粘５氖澜缰校芰亢挽氐淖兓偸遣秸{(diào)一致的，系統(tǒng)在獲得能量的同時熵會增加。物體獲得能量（熱量）后會膨脹，擴(kuò)大狀態(tài)空間，甚至從固體融化成液體、進(jìn)而蒸發(fā)為氣體，這都是趨向無序的過程。反之，能量減少時熵亦會減小。這樣得出的溫度數(shù)值隨狀態(tài)變化雖然不同，卻永遠(yuǎn)是正數(shù)，也就是絕對零度以上。然而，在量子世界里，我們卻可以遇到甚至構(gòu)造出一些奇異的體系，與日常經(jīng)驗不符乃至相反。在經(jīng)典世界里，隨著能量的增加，系統(tǒng)中粒子動能會越來越大，沒有止境。它們能占據(jù)的態(tài)也因此越來越多，更加無序，所以系統(tǒng)的熵會隨著能量增加。而量子世界中的粒子只能占據(jù)量子化的能量態(tài)。隨著能量的增加，越來越多的粒子會進(jìn)入高能量態(tài)。絕大多數(shù)的量子系統(tǒng)有著無止境的高能量態(tài)，粒子占據(jù)越多的高能量態(tài)，系統(tǒng)的熵越高。這與經(jīng)典系統(tǒng)沒有區(qū)別。的確，量子系統(tǒng)在高溫條件下通?？梢杂媒?jīng)典物理描述。但在非常特殊的情況下，人們可以設(shè)計出只存在有限能級的量子系統(tǒng)。在這樣的系統(tǒng)中，粒子所能占據(jù)的能量態(tài)有限。能量增加的結(jié)果使得越來越多的粒子集中在最高的能級上。這樣集中的結(jié)果是系統(tǒng)趨于有序，熵反而減少了。如果所有的粒子都集中在最高能級上，系統(tǒng)會變得完全有序，熵因此變成零——與所有粒子都集中在最低能量態(tài)的經(jīng)典意義上的絕對零度情形一樣，只是完全顛倒了。因為能量增加導(dǎo)致熵減少，按照“改變系統(tǒng)的熵所需要的能量”的定義，該系統(tǒng)的溫度是負(fù)數(shù)！這個意義上的負(fù)溫度雖然匪夷所思，它其實是很早就被科學(xué)家認(rèn)識的。它之所以稀有，是因為它在經(jīng)典物理世界中不可能存在，在量子世界中也需要非常特殊的條件才可能。這樣的負(fù)溫度系統(tǒng)早在195年1就被物理學(xué)家在核子自旋系統(tǒng)中證實了。差不多同時，科學(xué)家發(fā)明了激光。他們選擇合適的材料和條件，使得其中原子只有少數(shù)幾個能級可供電子躍遷，然后輸入能量將大量原子激發(fā)到其中的高能激發(fā)態(tài)，使得處于高能量態(tài)的原子多于基態(tài)。這樣的原子體系便處于負(fù)溫度狀態(tài)。而這些原子步調(diào)一致地從激發(fā)態(tài)躍遷回基態(tài)時所付出的光子便成為激光束。核自旋和激光系統(tǒng)都不是“純粹”的負(fù)溫度系統(tǒng)。它們只是在特定的自由度（自旋和原子能級）上實現(xiàn)了負(fù)溫度，而原子本身所處的還是平常的正溫度環(huán)境。今年德國物理學(xué)家所實現(xiàn)的突破便在于他們把一些經(jīng)過激光制冷的原子通過調(diào)制整體地進(jìn)入了負(fù)溫度狀態(tài)，這些原子完全處于負(fù)溫度，不再另有正溫度環(huán)境。但這樣實現(xiàn)的狀態(tài)非常不穩(wěn)定，只能存活非常短暫的時間。如果負(fù)溫度系統(tǒng)接觸到正溫度系統(tǒng)是會發(fā)生什么樣的現(xiàn)象？處于負(fù)溫度狀態(tài)的系統(tǒng)是不穩(wěn)定的，會自發(fā)的釋放能量。激光束正是這種能量釋放的表現(xiàn)。它們接觸到正溫度系統(tǒng)時會自發(fā)地將能量傳遞給對方。正溫度系統(tǒng)接收熱量后