Чему Далай

Чему Далай-лама може нас навчити про абсолютні негативних температурах? / Хабрахабр Чему Далай-лама може нас навчити про абсолютні негативних температурах? переклад

Багато шуму чутно останнім часом у науковій блогосфері про недавнє експерименті. в якому фізики створили газ з квантових частинок з негативною температурою нижче абсолютного нуля . Це досить дивно, тому що передбачається, що абсолютний нуль – це така температура, при якій рух атомів припиняється, коли рухливі частки в звичайному стані, повністю зупиняються. По всій видимості, це настільки холодно, наскільки тільки може бути. Чи може бути щось холодніше?

Ось короткий відповідь. Можна створити негативні температури . Фактично це було зроблено вперше в 1951 році. Але це не те, як насправді звучить – ці температури не холодніше абсолютного нуля. Наприклад, ви не можете охолоджувати, небудь до тих пір, поки температура не впаде нижче абсолютного нуля. Насправді, як я постараюся пояснити, об’єкти з негативною температурою поводяться як ніби вони тепліше. ніж об’єкти з будь позитивною температурою.

Щоб зрозуміти це, ми спочатку повинні дізнатися, що фізики мають на увазі під температурою. Можливо, ви пам’ятаєте з шкільного курсу фізики чи хімії, що температура вимірює середню кінетичну енергію руху частинок. Коли ви грієте речовина, ви прискорюєте його молекули, а коли охолоджуєте – сповільнюєте їх.

Це визначення дійсно має сенс, якщо ми можемо “помацати” це власноруч, тому ось симулятор. де ви можете пограти з молекулами газу. Увімкніть “обігрівач” (Heater), а потім збільште або зменшіть нагрів (Heater temperature) і подивіться, що відбувається.

Поки що все добре. Але фізики зрозуміли, що це визначення температури не завжди працює, тому що є декілька типів енергії, крім кінетичної енергії руху. Є ситуації, коли об’єкт має енергію, але в звичайному сенсі ніякого руху не відбувається, як магнітні спини в магніті, або одиниці і нулі на жорсткому диску. Існують квантові системи, де взагалі не має сенсу говорити про рух, але ви, тим не менш, можете дізнатися, скільки енергії система має. Стало ясно, що фізикам необхідні більш фундаментальні визначення температури, щоб звільнити місце для цих можливостей.

Ось нове визначення, яке вони придумали. Температура вимірює можливість об’єкта віддавати енергію . По правді, я збрехав. Це не те, як вони насправді визначили температуру, тому, що фізики говорять мовою математики, а не на англійською російській. Вони визначають її як пропорцію. яка означає, що температура обернено пропорційна нахилу кривої ентропії в порівнянні з енергією.

Тепер, якщо ви не говорите на “математичному”, я збираюся відкрити вам один маленький секрет. Вам не потрібно знати математику чи фізику, щоб зрозуміти, як працює температура. Ви можете використовувати дивно точну аналогію. Я вперше почув її, 1удучи студентом, у відмінному підручнику з теплофізики Даніеля Шредера.

Уявіть собі світ, де люди безперервно обмінюються грошима для досягнення щастя. Ймовірно, це не те, що вам складно уявити. Але є невеликий поворот.

Люди в цьому суспільстві домовилися, що вони будуть працювати, на збільшення щастя – не просто свого власного, а загального щастя суспільства. Це має несподівані наслідки. Наприклад, можуть бути люди, які стають дуже щасливими, коли їм вдається заробити трохи грошей. Ми могли б назвати їх жадібними . Інші люди не піклуються про гроші – вони стають трохи щасливішими, коли заробляють якісь гроші, і трохи сумніше, коли втрачають їх. Ці люди щедрі – граючи за правилами гри, вони зобов’язані віддавати гроші жадібним людям, щоб підняти загальне щастя суспільства.

Так чому ж я винаходив цю соціалістичну утопію з таким нестримним перерозподілом доходів? Все тому, що це близький аналог до фізики тепла. Як казав Стівен Колбер. “Реальність, як відомо, має ліберальний ухил”.

Ось аналогія. Соціалістична комуна – це те, що фізики називають ізольованою системою. Народ – об’єкти цієї системи. Гроші, якими вони обмінюються – це енергія, загальна сума якої завжди зберігається. Щастя – це ентропія. Так само, як суспільство хоче максимізувати щастя, фізичні системи діють, щоб максимізувати їх сумарну ентропію. І нарешті, щедрість – це температура – готовність людей (об’єктів), віддавати гроші (енергію).

Це складно відразу вловити, тому ось зручний словник, який дозволяє переводити наші аналогії в реальну фізику:

гроші = енергія

щастя = ентропія

щедрість = температура

Дивлячись на цей словник, все, що ми говоримо про нашу комуні, переводиться в фізичні затвердження.

Тепер уявіть, що наше суспільство складається з людей, як Уоррен Баффет. Спочатку, коли вони бідні, отримання грошей робить їх дуже щасливими. Але, стаючи багатшими ця ж сума грошей, не приносить їм стільки ж щастя. Якщо ви побудуєте графік щастя цих Баффет-подібних людей у??відношенні з їх багатством, він буде виглядати приблизно так:

У цьому світі кожен долар приносить вам менше щастя, ніж отриманий раніше. Таким чином, щоб підвищити загальне щастя, багаті Баффет повинні давати гроші бідним Баффет. Це світ, де люди стають більш щедрими, як вони отримують гроші. Або система, чия температура підвищується, коли вона отримує енергію .

Крива Баффета описує нормальні частинки, які ми знаємо і любимо, чия температура піднімається коли ви грієте їх. Це рухаються атоми в твердих тілах, рідинах або газах.

Тепер розглянемо світ людей, які скнари, як дядько Скрудж. Кожен долар, який вони заробляють робить їх більш щасливими, ніж попередній долар.

На відміну від Баффетом, якщо багаті Скрудж будуть віддавати гроші бідним Скрудж, це призведе до зниження загального щастя Скрудж. Іншими словами, їх щедрість зменшується, оскільки вони набувають більше грошей . Використовуючи наш словник, це система, в якій температура падає, коли вона отримує енергію .

Розжуйте цю думку на мить. Чи може у вас бути об’єкт, який стає холодніше коли ви віддаєте йому енергію?

Це дійсно відбувається, коли у вас є тіла, які притягуються один до одного. Зірки утримуються разом під дією гравітації і ведуть себе саме так. Коли зірка втрачає енергію її температура підвищується. Віддайте зірці енергію, і ви фактично охолодіть її. Чорні діри поводяться таким же дивним чином – чим більше енергії ви їм згодувати, тим більше і холодніше вони стануть.

І якщо це не досить інтуїтивно для вас, ось ще один сценарій. Уявіть світ людей досягли просвітління – вони стають щасливішими, коли втрачають гроші.

У цьому прикладі кожен долар, який Далай-лама отримує, робить його сумніше. Природна тенденція, в такому випадку – віддати всі свої гроші тому хто готовий прийняти їх. Ця дивно перевернута крива, в точності та ситуація, яка виходить в результаті негативних температур – просто переразметьте щастя в ентропію і гроші в енергію (математично крива має негативний нахил, тому вона повинна мати негативні температури).

Що відбувається коли об’єкти з негативною і позитивною температурами зустрічаються? Щоб з’ясувати це уявіть собі, що Далай-лама зустрів Уоррена Баффета.

Парадоксально, але Далай-лама віддасть гроші мільярдерові, тому що втрата грошей робить Далай-ламу щасливим, і отримання грошей зробить Уоррена Баффета теж трошки щасливішими. У цьому дивному обміні загальне щастя зростає. Використовуючи наш словник, енергія переходить від об’єктів з негативною температурою до об’єктів з будь позитивною температурою!

Це може звучати як щось вигадане, якимсь дуже завзятим теоретиком. Але є реальні речовини, де крива ентропії у відношенні з енергією виглядає як крива щастя Далай-лами у відношенні з грошима, тобто речовини з абсолютною негативною температурою.

Щоб отримати таку речовину, потрібно спроектувати систему, яка має верхню межу енергії. Це дуже рідкісна штука – нормальні, повсякденні речі, з якими ми взаємодіємо, мають кінетичну енергію руху, і не існує верхньої межі, того скільки кінетичної енергії речовина може мати.

Системи з верхньої енергетичної кордоном не хочуть перебувати у високому енергетичному стані. Так само, як Далай-ламу не влаштовує багато грошей, ці системи мають низьку ентропію, тобто малу ймовірність знаходження у високому енергетичному стані. Ви повинні експериментально “обдурити” систему щоб отримати таку речовину.

Вперше це було зроблено в геніальному експерименті Перселла і Паунда в 1951 році, де їм вдалося обдурити спини ядер в кристалі фториду літію. У цьому експерименті, вони підтримували абсолютну негативну температуру протягом декількох хвилин. З тих пір негативні температури були отримані в багатьох експериментах, і зовсім недавно відтворені в зовсім іншій сфері – ультрахолодні атоми квантового газу були отримані в лазерної пастці.

Від чорних дір до квантового газу, ця аналогія показує нам, що температура – це щось більш тонке, ніж те, що ми вимірюємо термометром.

_0.32MB/0.02651 sec