​​Від'ємна абсолютна температура. Температура нижче нуля, але при цьому гарячіша за будь-яку додатну температуру (3ч.)

Від'ємна - математично Гаряча - фізично

Як правило, у частинок немає верхньої межі енергії. Але давайте створимо систему, де така межа є. Наприклад, систему спінів ядер у магнітному полі або електрони на енергетичних рівнях у робочому тілі лазера. У них є основний (нижній) рівень енергії Е⁰ і певний максимальний Еmax

Зазвичай більшість частинок знаходиться на нижніх рівнях. При нагріванні (додаванні енергії dE>0) вони переходять на більш високі рівні, кількість можливих станів росте, ентропія росте (dS>0). Температура Т додатна

Але якщо ми за допомогою зовнішньої ''накачки'' (наприклад, світлом від того ж лазера) змусимо більшість частинок перейти на верхні енергетичні рівні, залишимо нижні майже порожніми виникне інверсна заселеність

Фінальний крок, додамо цій системі ще трішки енергії (dE>0). Частинкам майже нікуди переходити наверх (там уже зайнято) - їм простіше ''впасти'' на вільні рівні (ролик нижче). Але перехід на нижні рівні означає зменшення кількості доступних станів, тобто зменшення ентропії (dS<0). Після цього ''падіння'' і виникає від'ємна температура:
1/Т=dS/dE<0 => T < 0

Система з інверсійною заселеністю при додаванні енергії не збільшує, а зменшує свою ентропію

Але чому вона гарячіша за додатну температуру, якщо, навпаки, від'ємна?

Система з від'ємною температурою (Т<0) має надлишок частинок на поверхні енергетичного рівня. Це не стійкий стан, тому він при контакті з іншою системою передає енергію, поки не зникне інверсна заселеність (грубо кажучи, передає зайву ''зайву'' енергію). При контакті з будь-якою системою, яка має Т'>0, енергія буде переходити від системи з Т<0 до системи з Т'>0, незалежно від того, наскільки велика Т'. Тобто система з Т<0 буде нагрівати будь-яку систему з Т'>0, навіть якщо Т' прагне до +∞

Тож речовина з негативною температурою не холодніша за абсолютний нуль, а, радше, гарячіша за нескінченну температуру

#Фізика_на_пальцях
#Всесвіт_на_пальцях