科学家们描述了一个物理系统，它既在“绝对零度”之下，又在“绝对高温”之上。
供图： Myriams-Fotos，通过Pixabay检索获得
作者：袁耀（Yuen Yiu）；文章来源：AIP InsideScience
温度能降到绝对零度以下吗？到时会发生什么？它会像“吃豆人（Pac-Man）”游戏那样，从温度计量的另一个极端再冒出来，变得无限热吗？嗯，某种程度上，这个看似古怪的概念在现有物理学中是很常见的。
最近发表在《物理评论快报（Physical Review Letters）》上的一篇论文描述了一个系统，在这个系统中，“负温度”被用来解释了现实物理世界中一个奇怪但真实的现象。
但在了解温度如何发生这种诡异的颠倒之前，你需要重新学习一下温度的意义。
负温度比高温更热
多数人可能都在学校里学过，温度基本上可以理解为是衡量一个系统中粒子运动剧烈程度的指标：高温意味着粒子存在大量剧烈的震动，绝对零度则意味着粒子都绝对的静止。虽然这种解释也许能让你理解烤箱里的温度是如何产生的，但这并不是全部。
首先，温度不仅仅是系统中所有粒子的平均能量。它实际上与这些粒子的能量密度分布有关。现在请把一个个粒子想象成建筑物里的一块块砖，每个砖块的高度反映出这个粒子的能量高低。在低温下，这座建筑就会看起来像一个高度很低且底部肥大的金字塔。随着温度升高，这个金字塔就会长高和变瘦。这种趋势会随着温度的上升而持续下去，直至达到所谓的“绝对高温”——此时金字塔变成了一个没有粗细变化的柱状，从地面向天空无限延伸。这就是让事情开始变得怪异的地方。
如果你能以某种方式让系统的温度比这种“绝对高温”再高一步，那么金字塔形状会瞬间再度出现，但这次它的形状会翻转过来——每一层包含了比下面更多的砖块，砖块在无限高的顶部会无限多。当这一切发生的时候，更奇怪的事情就会出现：“温度”这个用来描述 “金字塔”形状的参量，会变成负值！
一个宽度不断扩大而且无限高的倒金字塔听起来可能太荒唐了，甚至让人连想都不敢想。这近似于是在说，负温度比无限高温还要热。但是，如果我们不再把粒子的能量看作没有上限的动能，负温度就会变成一个非常真实的参数，可以用来描述其他多种能量在一个物理系统内的分布。
“这不一定是传统意义上的温度，它拥有区别于通常意义的形式，此时不同温度的差别是用来衡量系统的能量分布特征，”在德国慕尼黑工作的路德维希大学的物理学家斯蒂芬·希尔伯特（Stefan Hilbert）说道，他没有参与这项研究。“例如，你可以创造出一种叫做‘粒子数反转’的系统——在这个系统中，会有更多的粒子处于较高能量的激发态，而能量较低状态的粒子反而更少。”
换句话说，只要将“金字塔”限制在有限的能量水平上，物理系统的粒子能量分布确实可以被反转过来。而这种机制的运作，在一个不起眼的激光笔里就能找到。
这种超前概念在现实世界中的应用
每次你在点亮激光笔时，就是在使用“粒子数反转”的魔力。原子被从低能级向更高的能级“泵浦（Pumped，意为向上抽调）”，然后它们会回落，并在这个过程中发出光芒。
现在，科学家们已经发现了操纵其他可激发的物理系统的方法。自旋——决定原子的磁力特性的本质——是负温度研究中最热门的话题之一。
“在激光器出现前，人们认为一团粒子中处于的自旋激发态的数量不可能超过其总数的一半，因为这已经是自旋激发的‘最热’状态了”，论文的作者之一，在东京工作的国立情报学研究所的研究人员根本香惠（Nemoto Koe）说道。
但后来科学家们证明这并不正确。在他们的论文中，根本和同事们描述了一种特殊方式来构建自旋系统，这个系统中有一部分粒子的自旋分布更倾向于反转的状态。换句话说，与激光不同，这一系统中的原子不需要向高能量的“泵浦”过程，天然就有一部分可以自动向上流动。
“在激光器中，存在一定的粒子数反转，但这是一个不稳定的状态。你可以增加处于激发态的原子数，但原子并不会在这一状态长期维持”，论文的作者之一，日本电话电报公司的研究人员威廉·蒙罗（William Munro）说道。
根本、蒙罗和他们在崎玉的突发物质科学RIKEN中心（RIKEN Center for Emergent Matter Science）的同事滨祐介（Hama Yusuke），发现如果独立的两团原子共用一个恒温的原子储层，那么在持续一段时间后，它们最终并不一定达成平衡态。
当两团原子数量相当时，即便其中一团全部是高自旋状态，而另一团全部是低自旋状态，随着时间的推移，两团原子最终都会进入“中间态”，即一半处于自旋较高的状态，另一半处于自旋较低的状态。
但是，当两团原子的数量不同时，会发生一些奇怪的现象。例如，如果原子团A包含了比B更多的自旋，同时原子团A中所有的自旋都处于更高的状态，原子团B中所有的自旋都处于更低的状态，那么这两者的自旋并不会像激光器那样，全都向最低的状态演化。相反的，原子团B中的所有自旋都会流向更高的状态。换言之，原子团B更加倾向于发生粒子数反转的状态。这一启示在现代应用中普遍存在的磁性系统中会有重要的指导意义。
“负温度的概念对于解释许多物理系统的实验结果非常重要，特别是对于这些自旋系统”，希尔伯特说。
https://www.insidescience.org/news/system-so-cold-its-hot
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