Техника - молодёжи 1961-10, страница 15

есть молекулы, показывает высокую температуру, а где их нет —нуль.

Пояснить это можно с помощью той же аналогии с кинотеатром. Если в кассе продаются билеты по цене 10, 30 и 50 копеек, то, попытавшись определить выручку по числу людей, купивших билеты ценой в 20 копеек, мы получим нуль.

Если в квантовой системе частицы могут находиться только в нескольких состояниях, то больцмановский термометр уже может показывать отрицательную абсолютную температуру. Рассмотрим простейшую систему, в которой таких состояний всего два

При равновесном, нормальном состоянии на нижнем уровне находится больше частиц, на верхнем — меньше. Нагревая систему, мы можем искусственно перегнать частицы с нижнего уровня на верхний так, чтобы там их было больше, чем на нижнем, это и есть состояние с обратной зависимостью числа частиц, поэтому подобному состоянию должна приписываться отрицательная абсолютная температура. Интересно. что когда на верхнем и на нижнем уровнях окажется одинаковое число частиц, температура, вычисленная по формуле Больцмана, оказывается равной бесконечности. В этом смысле можно сказать, что отрицательная абсолютная температура — это температура выше бесконечности. Тело, обладающее такой температурой, ведет себя необычно. Поскольку оно находится в крайне неравновесном, возбужденном состоянии, оно стремится отдать свою энергию независимо от того, находятся ли с ним в контакте более холодные тела, способные воспринять эту энергию, испускаемую в виде излучения.

Описанные в предыдущем номере нашего журнала оптические усилители (ласеры) и молекулярные генёраторы — это системы с отрицательными абсолютными температурами.

Но не только квантовые явления могут изучаться с точки зрения существования абсолютных отрицательных температур. Они дают новый подход к изучению явлений «скрытой теплоты», фазовых переходов, окисли-тельно-восстановительных процессов в химии, фотосинтеза.

Обычная термодинамика, изучающая фактически лишь равновесные системы, больше заслуживает названия термостатики в отличие от термодинамики абсолютных отрицательных температур, изучающей явления нестационарные, неравновесные, динамические. Поскольку в природе существует огромное количество процессов неравновесных, нестационарных, можно ожидать, что термодинамика абсолютных отрицательных температур, позволяющая ученым глубже увидеть природу многих явлений, столь же обща, как и классическая термодинамика.

Представьте себе двухэтажный дом, на первом этаже которого расположен кинотеатр, а на втором — жилые квартиры. Существует нормальное распределение, при котором на первом этаже, в зале кинотеатра, находится 200 человек. а в жилых квартирах второго этажа — 30. С помощью каких-либо исключительных мер мы могли бы в принципе всех зрителей кинозала перевести во второй этаж. В этом случае система будет находиться в состоянии отрицательных абсолютных температур, а при малейшей возможности 200 человек разом покинут второй этаж, и система снова вернется к нормальному распределению.

Существование квантов энергии приводит к расхождению в показаниях тер-мометров. Больцмановский термометр показывает то нуль, то высокое значение температуры. Классический же показывает постоянную температуру, так как он осредняет энергию всех молекул.

Плавление льда и испарение воды с точки зрения существования абсолютных отрицательных температур. При таянии льда термометр классической физики показывает неизменную температуру, равную нулю. Термометр Больцмана определяет температуру из распределения молекул воды между льдом и водой. Если все молекулы воды находятся в состоянии льда, то этому состоянию соответствует первое значение нуля. Когда часть льда расплавилась под влиянием нагрева, термометр показывает возрастание температуры. Число молекул жидкой фазы сравнялось с числом молекул твердой фазы, термометр показывает бесконечно большую температуру. Если в водной фазе окажется молекул больше, чем в твердой фазе, термометр покажет абсолютную отрицательную температуру. Наконец, когда весь лед превратится в воду, мы получаем новое значение абсолютного нуля. Термометр же классической физики на протяжении всего времени показывал неизменную температуру, равную 273,16° по шкале Кельвина. То же самое происходит и при испарении воды.