Kvantgas lurar termometern

En grupp fysiker i Tyskland har lyckats skapa gas med en temperatur under den absoluta nollpunkten. Nya exotiska kvantmaterial hägrar, liksom också en möjlig lösning på en kosmologisk gåta om vad den mörka energin som töjer ut hela universum är för något. Gasen kan även kopplas till andra bisarra företeelser, som negativt tryck eller maskiner som har en effektivitet på över 100 procent.

Negativ temperatur låter som en paradox, eftersom noll Kelvin (– 273,15 grader Celsius) normalt ses som den lägsta möjliga temperaturen. Hur kan då temperaturen falla under absoluta nollpunkten? Paradoxen hänger ihop med hur temperatur definieras. För det mesta finns det ju inga problem med minusgrader.

På Celsiusskalan är noll grader temperaturen då vatten fryser till is och 100 grader då vatten börjar koka. Daniel Fahrenheit, uppfinnaren av kvicksilvertermometern, utgick i stället från en saltlösning, vilket innebär att vatten fryser vid 32 grader Fahrenheit och kokar vid 212.

Först i slutet av 1800-talet kopplade fysikerna temperatur till energi. Temperatur hos en gas blev ett mått på gaspartiklarnas kaotiska rörelse. Beräkningar visade då att gasens temperatur är proportionell mot ett medelvärde på gasmolekylernas rörelseenergi. Där all rörelse avstannar satte William Thomson Kelvin noll på sin temperaturskala. Något högsta värde finns inte; i princip har man tänkt sig att gaspartiklarna får röra sig hur mycket som helst.

Men redan på 1950-talet upptäckte fysikerna att det inte alltid behöver vara så. Magnetiska fält, till exempel, kunde begränsa partiklarnas energi, och därmed temperatur, till ett bestämt maximum. Ibland kunde alla partiklar uppnå maximum samtidigt, vilket kan ses ett slags spegelbild av den absoluta nollpunkten, där alla partiklars rörelse upphört. Partiklarna på andra sidan spegeln sägs då ha fått negativ temperatur.

Termerna negativ och positiv temperatur blir förvirrande här, eftersom de härstammar från en tid då man inte kände till sådana exotiska material hos vilka den inre ordningen ökar med ökande temperatur.

Hur ska man tänka sig detta? I vanlig gas minskar molekylernas kaotiska rörelse ju mer de avkyls, alltså blir av med energi. Hos gas med negativ temperatur blir det tvärtom – det inre kaoset försvinner ju mer energi som gasen tillförs, ända till det maximalt möjliga värdet, då gasens molekyler är mest ordnade. Gasen kan alltså tänkas närma sig den absoluta nollpunkten från motsatt håll; noll Kelvin blir här en effekt av maximal energi, inte minimal. Alltså blir noll Kelvin också ett tillstånd med högsta möjliga energi för denna gas.

Nyligen lyckades en grupp forskare vid Institutet för kvantoptik i Garching, Tyskland, för första gången att stänga in 100 000 gasatomer i en fälla, ett gitter, där de inte kunde röra sig fritt. På så sätt uppnådde gasen minus några miljarddelar Kelvin.

Experimentet genomfördes med hjälp av magnetiska fält och laserljus i vakuum. Detta krävdes, eftersom i mötet med materia med positiv temperatur så försvinner gasens exotiska egenskaper och den lämnar ifrån sig energi. Eftersom energi alltid går från högre till lägre, så är materia med negativ temperatur alltid hetare. Enligt den gängse definitionen är alltså gas vid negativ temperatur hetast i världen.

Än så länge finns denna märkliga gas bara i laboratoriet. Men forskarna spekulerar över att kunna använda sådana gaser till att konstruera förbränningsmotorer med över 100 procents effektivitet.

Även andra ovanliga egenskaper följer med den negativa temperaturen. I vanlig gas krockar atomerna med behållarens väggar, något som kan mätas som gastryck. I en gas med negativ temperatur är även trycket negativt, det verkar inåt. Negativt tryck är ett kännetecken hos den mystiska mörka energin inom kosmologin som får hela universum att öka sin expansionstakt. Men ingen vet vad den kan vara för något. Kanhända är negativ temperatur en nyckel som kan lösa denna vår tids största kosmiska gåta.