负温度不等于“低于绝对零度”

我很高兴看到伊曼努尔·布洛赫教授的团队又做了一项漂亮的工作，研究光学晶格中过冷原子的“负温度”分布。自从这篇文章发表在《科学》杂志上后，媒体在一定程度上对其进行了解读。因为媒体都是从新闻报道中解读的，而撰写新闻的编辑通常会引导读者阅读原文，并将其写得非常简洁。因此，它是一层层传下来的，这不可避免地使人们认为“负温度”已经变成了“负能量”和“低于绝对零度”。将一个好的实验宣传成违反物理定律的软性科幻小说。

现在让我们介绍一下这个“负温度”是什么。负温度只是一种异常的能量分布。能量是积极的！但也大于绝对零度时的能量。

那些研究过热力学和统计物理的人应该记住麦克斯韦-玻尔兹曼分布是温度的函数。设Ni为处于I能态的粒子数，e I为该能态的能量，n为粒子总数。则ni/n = giei/kt/∑ieei/kt。不喜欢这个公式的人可以先忽略其他公式，只注意这个e指数函数e Ei/kT，其中k是Boltzmann常数，所以把它当作1。对于理想气体(没有相互作用的*气体)，一维速度分布是高斯线。如果引入相互作用，麦克斯韦-玻尔兹曼分布将会改变。如果这种情况被改变为eEi/kT，那么它就相当于T变成负值，变成负温度状态。

也许有童鞋可以问，eEi/kT是不是不同的？是的，这就是问题所在。数字。对于正常温度分布，e Ei/kT在温度下限T=0(即绝对零度)时取其最大值。然后，随着t的增加，其值不断减小，最终接近零。如果有温度上限Tmax，EEI/K (Ttmax)函数将从T=0逐渐增加到T=Tmax时的最大值。这形成了与e Ei/kT完全相反的分布。想象一下，在空间中将左T轴旋转180度，即，将T=0转到右Tmax位置，图像将重合，这相当于T都变成负值。因此，当Tmax=0时，EEI/克(TTmax)= EEI/克代表负温度分布。

因为Ei的符号不变，所以所有的能量都是正的。此外，由于Tmax处的粒子数远大于T=0时的粒子数，在负温度条件下，系统的总能量比以前高。这个消息使许多人误解“负温度”为“负能量”的原因是许多人简单地把温度等同于能量，却忽略了温度T是麦克斯韦-玻尔兹曼分布的一个参数。“绝对零度”的真正含义是绝对能量的最低点。

以下是施奈德和布洛赫实验的简要介绍。由于使用了许多超冷原子和光学晶格技术，我不会给你实验的细节。建议相关领域的同事直接阅读他们的论文。施耐德，《运动*度的负绝对温度》，科学339，52 (2013).简而言之，他们的实验是改变激发光的相位，立即改变势阱，使超冷原子陷入势垒。这一操作相当于将左图转到180度，使温度分布为正的系统变成温度分布为负的系统。当然，他们也在实验中使用了Feshbach共振技术，也就是说，原子之间的相互作用是通过一个强大的外部磁场来相互吸引的。在“正温度”的情况下，一团原子气体会在真空中扩散，但在相互吸引的情况下，一团原子气体会“反向扩散”，即收缩在一起，因此它们的体系在各方面都可以等同于“负温度”的原子气体。

事实上，这是迄今为止实验中对“负温度”最美丽的解释，但它不是唯一的解释。学过激光原理的孩子应该记住，“粒子数反转”也可以被视为“负温度”分布。

附言:因为我的微博粉丝中有很多物理专业的学生，他们都在读研究生或大学。稍后，我想说一些与这个负温度工作相关的个人遗憾。我希望你们这些物理孩子能把它当作一个警告，不要再犯同样的错误。不感兴趣的童鞋可以跳过。

当我在最初几年获得博士学位时，我向伊曼努尔·布洛赫教授的团队申请博士后。布洛赫教授邀请我参观慕尼黑(当然，每个人都知道这实际上是一次难得的采访)。乌尔里希·施奈德是伊曼努尔·布洛赫的博士生，他即将毕业(可能比我年轻)。在慕尼黑一周左右的时间里，我访问了几乎每一个实验室，我可能熟悉所有的研究方向，并且是同一领域的世界顶尖(他们的团队每年发表3-5篇“自然”和“科学”文章，外加5篇以上的PRL文章，这在世界物理实验室中是很少的)。参观完实验室的一天晚上，乌尔里希·施奈德带我去他的办公室，向我详细介绍他的工作。他电脑里的数据让我一头雾水。谈了将近两个小时。访问结束时，布洛赫教授问我的感受和计划。面对我只听说过但从未见过的技术，我变得不聪明。此外，当时我遇到了一些变化，所以我做出了迄今为止我一生中最愚蠢的决定。我告诉他一些超冷原子的实验技术还不可用。也许找个地方训练两年，然后申请加入他们的团队会更合适。所以在浪费了我的时间之后，当我联系他的时候，世界变了，整个团队都满了，加上欧洲的经济形势...他只能建议我找到另一条出路。

伊曼努尔·布洛赫是汉斯最喜欢的学生。因此，汉斯教授在退休时选择了布洛赫作为他的继任者(接替汉斯在马克斯·普朗克研究所和慕尼黑大学的职位)。作为目前量子模拟最重要工作的老板，布洛赫的诺贝尔物理学奖只是时间问题。现在布洛赫对待施耐德·普什就像当年汉斯对待他一样。当他完成学业时，他将被委以重任，促使他成为《负温度》这份报纸的老板。我无法想象，如果我把它拼了一遍，没有给自己留一条回去的路，并且坚持我的意图，也许这篇负温度的论文会有我的名字，甚至是一部作品。也许现在我正在为我的梦想在实验室努力工作，而不是在这里过着悲惨的生活。

我希望所有学习物理的孩子珍惜每一个机会，不要像我一样贪图眼前的安逸，失去为梦想而奋斗的大好机会。做实验的人应该知道，我们不能像做理论的人那样用自己的智力和电脑工作。那些设备和实验技术甚至能决定我们的命运。珍惜在工业大国做物理实验的机会和日子。