Temperatuur onder 0

[KopjeThee]

Ik lees zojuist dit bericht. Ik kan mij hier niets bij voorstellen. Is er iemand die hier iets meer over kan vertellen? Het klinkt erg interessant.

Ik lees het volgende:

• Bij het "absolute" 0-punt (-273 graden celsius), hebben deeltjes geen energie meer. Dat denk ik nog te begrijpen. Dan zouden lagere temperaturen niet mogelijk zijn.
• Bij lage gemiddelde energie waarden (koud), zijn er sommige deeltjes die nog wat hogere energie waarden hebben. Dat geloof ik ook wel, een soort kansverdeling over de energiewaarden.
• Bij hoge gemiddelde energie waarden (warm), zijn er sommige deeltjes die nog wat lagere energie waarden hebben. Omgekeerd dus. Dat geloof ik ook nog wel.
• Nu nemen we wat atomen die we met lasers en magneten op een of andere manier onder controle houden. Deze atomen stoten elkaar af. Het zal wel.
• Dan draaien we de polen van de magneten om, en dan trekken de atomen elkaar opeens aan. OK, prima.
• Hierdoor gaan de atomen opeens van hun laagste naar hun hoogste energie staat. Geen idee hoe dit komt, maar het zal wel.
• "At positive temperatures, such a reversal would be unstable and the atoms would collapse inwards. But the team also adjusted the trapping laser field to make it more energetically favourable for the atoms to stick in their positions." Hoe moet ik dit nu zien? Doordat de atomen op hun plaats worden gehouden blijft het koud? Doordat de atomen naar de hoogste energie staat gebracht zijn, wordt die omgekeerde kansverdeling van toepassing en krijgen sommige atomen iets van een negatieve energie of zo?

Jullie begrijpen inmiddels: Ik weet niets van natuurkunde. Maar het klinkt als een interessant verschijnsel. Is er iemand die hier wel soep van kan koken?

Edit: Om nog maar te zwijgen van hoe dit verschijnsel dan weer te relateren is aan negatieve zwaartekracht. Beam me up Scotty

[ Voor 3% gewijzigd door KopjeThee op 06-01-2013 12:30 ]

[Firesphere]

Je hebt het hier over supergeleiding en materialen in die richting.
Waarom het gebeurd weet ik niet (ik kan wel mijn vermoedens en theorietjes gaan spuien, maar ik heb niet het lab om dat te testen)

Wat er ongeveer bedoelt wordt, als ik het goed begrijp, is dat ze hebben geprobeerd om bij een staat die niet rond het absolute 0-punt ligt, de sudden-change te genereren. Als dit niet bij het absolute 0 gebeurd, zijn de atomen nog in beweging, 3-2-1 kablammo, door de staat waarin ze worden gebracht terwijl ze dat niet zijn, klapt de hele zooi in elkaar.

Ik hoop dat dit ongeveer verduidelijkt wat ik bedoel:
Men neme een zaal vol met mensen (echt vol!) waar iedereen beweegt.
Bij het absolute 0, stopt iedereen met bewegen, maar worden de drankjes en hapjes ineens met een noodvaart rondgebracht.
Nu proberen we het noodvaart rondbrengen van de drankjes uit te voeren terwijl niet iedereen perfect stilstaat.
De kablammo, iedereen botst tegen elkaar, hapjes en drankjes vliegen door de lucht, noem maar op.

Wat ze hebben gedaan, is iedereen in de ruimte in een kooi zetten. Daardoor kunnen ze wel bewegen, maar blijven ze virtueel toch op dezelfde plek. Hoppa, kom maar door met die hapjes en drankjes


Geen idee of dit precies klopt, zou ik na moeten zoeken, maar volgens mij is dat het toegepaste concept.

[IStealYourGun]

Als je de commentaren leest dan is het blijkbaar een beetje misleidend.
Blijkbaar gebruiken ze laser om de materie in bedwang te houden, net omdat deze vanaf 0° Kelvin geen energie meer hebben van zichzelf.

[Atari Paul]

Wellicht dat de volgende link wat meer duidelijkheid kan scheppen: http://www.mpg.de/6776082/negative_absolute_temperature

[KopjeThee]

Atari Paul schreef op zondag 06 januari 2013 @ 16:32:
Wellicht dat de volgende link wat meer duidelijkheid kan scheppen: http://www.mpg.de/6776082/negative_absolute_temperature

Nou raar gedoe allemaal. Ik denk nu te begrijpen:

• Dat de negatieve temperatuur meer een gevolg is van de (blijkbaar wat ongelukkige) definitie van temperatuur.
• Dat het logischer zou zijn om die toestand die ze hebben gecreëerd heter te noemen dan de heetste temperatuur.
• Dat de onderzoekers een limiet hebben weten te stellen op de maximum energie van het systeem met die atomen.
• Dat de onderzoekers de atomen op dit maximum energie nivo hebben gebracht.
• Dat atomen niet meer kunnen bewegen als ze op dit maximum energie nivo zitten, omdat kinetische energie niet meer kan toenemen.

Hoe en waarom begrijp ik nog altijd niet.

[Anoniem: 318843]

This inversion of the energy distribution means that the particles have assumed a negative absolute temperature.

Slechte uitleg hoor... moet ik nu Boltzmann bellen voor uitleg?
Eens kijken of ik ergens kan vinden waarom deeltjes met zo'n energiedistributie een negatieve temp hebben.

[ Voor 9% gewijzigd door Anoniem: 318843 op 07-01-2013 11:42 ]

[Anoniem: 8386]

Zie ook Trias in de W&L FAQ.

De crux van negatieve temperaturen is dat vanuit een fysisch oogpunt temperatuur niet zo'n handige grootheid is. Natuurkundigen werken liever met 1 gedeeld door de temperatuur, meestal aangeduid met de letter beta.

Wat je dan gelijk ziet is dat het "absolute nulpunt" overeen komt met een beta die oneindig groot is. Het is daarmee gelijk heel intuïtief dat deze temperatuur nooit bereikt kan worden.

Beta (1/T dus) is de mate waarin de entropie toeneemt als je energie aan een systeem toevoegt. Dus als energie stroom van een systeem met lage beta noor een systeem met hoge beta dan neemt de entropie toe. Of te wel (aangezien de entropie nooit afneemt) warmte stroomt van lage naar hoge beta. Anders gezegd, systemen met lage beta zijn warmer dan systemen met hoge beta.

In het bijzonder een systeem met negatieve beta is warmer dan een systeem met positieve beta. (Vertaald naar temperatuur een systeem met negatieve temperatuur is warmer dan een systeem met positieve temperatuur.)

Systemen met negatieve beta (of temperatuur) zijn wel heel eigenaardig. Naarmate je er meer energie instopt wordt de entropie lager, terwijl wij gewent zijn aan het omgekeerd. Typisch gebeurt dit in systemen die een maximale energie hebben en dus in een verzadigde toestand hebben. In deze verzadigde toestand heeft het systeem maar een realisatie mogelijkheid (microtoestand) en is de entropie dus nul. Aangezien bij lagere energieen het systeem een hogere entropie hebben bij een lagere energie. De toestanden net onder de maximum toestand moeten dus negatieve temperatuur hebben!

Een bekend voorbeeld van zo'n systeem is een magneet in een extern magneetveld. Een magneetveldje dat met het externe veld mee is gericht heeft een lagere energie dan een magneetveldje dat tegen het externe veld in is gericht. De magneet heeft dus een minimum energie (alle magneetveldjes met het externe veld mee) en een maximum energie (alle magneetveldjes tegen het externe veld in). Het systeem heeft ook een maximale entropie namelijk als er in beide richtingen even veel magneetveldjes wijzen. (Dit is waarmee een magneet zijn magnetisatie verliest bij hoge temperatuur). Dus als er meer magneetveldjes tegen her externe veld in wijzen dan met het externe veld mee, dan neemt de entropie af als er energie wordt toegevoegd aan de magneet en is de temperatuur negatief.

Zo'n systeem is relatief makkelijk te maken door eerst een magneet in externe magneetveld te brengen en te wachten totdat alle magneetveldjes met het externe veld mee zijn gericht en dan snel het externe veld om te draaien, zodat alle magneetveldjes tegen het externe veld in gericht zijn. Zo'n configuratie is uiteraard heel instabiel. De magneetveldjes zullen zich snel met het externe veld mee gaan richten en de negatieve temperatuur is vrijwel gelijk verdwenen. Het knappe aan het gemeld experiment is dat ze het voor elkaar krijgen om een systeem met negatieve temperatuur stabiel te houden.

[Anoniem: 318843]

Anoniem: 8386 schreef op maandag 07 januari 2013 @ 14:45:
Natuurkundigen werken liever met 1 gedeeld door de temperatuur, meestal aangeduid met de letter beta.
Wat je dan gelijk ziet is dat het "absolute nulpunt" overeen komt met een beta die oneindig groot is. Het is daarmee gelijk heel intuïtief dat deze temperatuur nooit bereikt kan worden.

Ik snap het niet.
Stel ik leg een aantal appels op tafel. En dan zeg ik: "ik wil nu gaan praten over 1 gedeeld door het aantal appels". Hoe meer appels ik wegneem hoe hoger de uitkomst. Als ik fantaseer over het wegnemen van de laatste appel gaat de uitkomst naar oneindig. Toch is het niet moeilijk om de laatste appel weg te nemen.
Misschien snap ik het fenomeen temperatuur niet. Ik dacht dat het alleen ging over de snelheid van deeltjes maar waarschijnlijk is dat niet zo.
Trias: jou derde alinea breekt af.

[Rannasha]

Anoniem: 318843 schreef op dinsdag 08 januari 2013 @ 01:11:
[...]
Ik snap het niet.
Stel ik leg een aantal appels op tafel. En dan zeg ik: "ik wil nu gaan praten over 1 gedeeld door het aantal appels". Hoe meer appels ik wegneem hoe hoger de uitkomst. Als ik fantaseer over het wegnemen van de laatste appel gaat de uitkomst naar oneindig. Toch is het niet moeilijk om de laatste appel weg te nemen.
Misschien snap ik het fenomeen temperatuur niet. Ik dacht dat het alleen ging over de snelheid van deeltjes maar waarschijnlijk is dat niet zo.
Trias: jou derde alinea breekt af.

Temperatuur als gemiddelde snelheid van deeltjes is een benadering van de werkelijkheid. Alleen in een ideaal gas, waar alle botsingen elastisch zijn en er geen energie in aangeslagen toestanden gaat zitten komt dit overeen met de werkelijkheid. Voor een gas op kamer temperatuur is dit een hele aardige benadering. Voor extreme situaties, zoals ultra-koude gassen werkt deze benadering een stuk minder.

De feitelijke definite van temperatuur is echter zoals Trias die geeft, de verhouding tussen de toename van de energie van een systeem en de toename van de entropie van het systeem.

Je hebt gelijk dat het in feite niet uitmaakt of je met T rekent of beta = 1 / T, dat is gewoon een simpele substitutie om de wiskunde te vereenvoudigen.

Waarom dat in dit geval nuttig is blijkt direct uit het fenomeen negatieve temperatuur. De overgang van 0.0001 K naar 0 K naar -0.0001 K is niet continu (geleidelijk). Het gedrag bij -0.0001 K is wezenlijk anders dan dat bij 0.0001 K. Als je echter de boel uitdrukt in termen van beta, hou je wel mooie continue overgangen over.

[verleemen]

Ik vind dat bericht nogal misleidend, Het betekend hooguit dat kelvin de defenitie van het absoluut nulpunt verkeerd heeft gedefinieerd. Absoluut is een behoorlijk fundamentalistisch woord. Als er een temperatuur onder die van kelvin is, dan is dat het absolute nulput en is kelvin in weze achterhaald.

Das net zoiets als als dat je beweert sneller de 100 meter sprint te doen dan het wereldrecord alsof die term al een keer aan iemand anders zn prestatie is gegeven en je jou record daardoor geen wereldrecord mag noemen.

[ Voor 13% gewijzigd door verleemen op 08-01-2013 15:50 ]

[Anoniem: 8386]

verleemen schreef op dinsdag 08 januari 2013 @ 15:47:
Ik vind dat bericht nogal misleidend, Het betekend hooguit dat kelvin de defenitie van het absoluut nulpunt verkeerd heeft gedefinieerd. Absoluut is een behoorlijk fundamentalistisch woord. Als er een temperatuur onder die van kelvin is, dan is dat het absolute nulput en is kelvin in weze achterhaald.

Zie ook hierboven.

Negatieve temperaturen, zijn niet kouder dan 0 Kelvin. Een negatieve temperatuur is in die zin dus niet een temperatuur onder 0 Kelvin. Het is eerder een temperatuur boven oneindig.

[KopjeThee]

Super, veel duidelijker! Ook uitleg in de FAQ helpt veel.

Anoniem: 8386 schreef op maandag 07 januari 2013 @ 14:45:
Zie ook Trias in de W&L FAQ.
...
Het knappe aan het gemeld experiment is dat ze het voor elkaar krijgen om een systeem met negatieve temperatuur stabiel te houden.

[MSalters]

Anoniem: 318843 schreef op dinsdag 08 januari 2013 @ 01:11:
[...]
Ik snap het niet.
Stel ik leg een aantal appels op tafel. En dan zeg ik: "ik wil nu gaan praten over 1 gedeeld door het aantal appels". Hoe meer appels ik wegneem hoe hoger de uitkomst. Als ik fantaseer over het wegnemen van de laatste appel gaat de uitkomst naar oneindig. Toch is het niet moeilijk om de laatste appel weg te nemen.
Misschien snap ik het fenomeen temperatuur niet. Ik dacht dat het alleen ging over de snelheid van deeltjes maar waarschijnlijk is dat niet zo.

Inderdaad. Met aantallen appels is 0 een normaal iets, maar oneindig iets onbereikbaars. Met temperatuur heb je het omgekeerde. Juist daarom is β een handig concept: β=0 is haalbaar en β=∞ niet.

Je hebt gelijk dat voor simpele systemen zoals gassen de temperatuur direct samenhangt met de gemiddelde snelheid van deeltjes, E_kin=1/2mv²=3/2kT. Dta betekent inderdaad dat T niet negatief kan worden. En inderdaad, in een gas kun je dus ook niet de bijbehorende populatieinversie krijgen.

[Mx. Alba]

Ook een interessante kijk op de zaak: http://www.empiricalzeal....ures-below-absolute-zero/

Daar worden natuurkundige termen (energie, entropie, temperatuur) uitgelegd in economische termen (geld, geluk, vrijgevigheid) om negatieve temperatuur uit te leggen.

[Shodan]

MSalters schreef op dinsdag 15 januari 2013 @ 08:29:
[...]

Inderdaad. Met aantallen appels is 0 een normaal iets, maar oneindig iets onbereikbaars. Met temperatuur heb je het omgekeerde. Juist daarom is β een handig concept: β=0 is haalbaar en β=∞ niet.

Je hebt gelijk dat voor simpele systemen zoals gassen de temperatuur direct samenhangt met de gemiddelde snelheid van deeltjes, E_kin=1/2mv²=3/2kT. Dta betekent inderdaad dat T niet negatief kan worden. En inderdaad, in een gas kun je dus ook niet de bijbehorende populatieinversie krijgen.

Het is echter niet zo dat bij T=0 deeltjes stil staan. Deeltjes staan nooit stil. Indien dat namelijk wel zo zou zijn, zou het Heisenberg principe niet meer gelden, omdat je dan de exacte positie van deeltjes en de spin tegelijktijdig zou kunnen bepalen.

Je hebt altijd zoiets als "zero point energy" waarover je meer kunt lezen op wikipedia dat er voor zorgt dat er een minimum grond toestand van energie is.

Mogelijk dat ze dus iets kunnen doen om die minimum energie te verlagen wat zich vertaald in een negatieve temperatuur.

[MSalters]

Klopt, dat is waarom is "simpele systemen zoals gassen" schreef. Als je naar T=0 gaat, dan heb je niet meer te maken met simpele systemen.

En nee, jouw "zero point energy" heeft niets te maken met negatieve temperaturen. ZPE is, zoals je link zegt, de "lowest possible energy". We hebben het hier juist over systemen die tegen hun hoogste mogelijke energie aanzitten. Het is die omkering waardoor negatieve temperaturen ontstaan.

[Blokmeister]

Negatieve temperaturen zijn niet vreemd. Elke keer als wij met onze laserpen schijnen, realiseren we een negatieve Boltzmanntemperatuur. Deze zijn gebaseerd op de Boltzmannverdeling. De Boltzmannverdeling beschrijft welke fractie van deeltjes welke energie heeft. Als je een positieve waarde voor de temperatuur invult, komt eruit dat hogere energieniveaus minder bezet zijn dan lagere. Als je een negatieve waarde voor de temperatuur invult, komt eruit dat lagere energieniveaus minder bezet zijn dan hogere. Als je dus een situatie hebt waarbij hogere energieniveaus meer bezet zijn dan lagere energieniveaus (in een laser bijvoorbeeld) dan kan je spreken over een negatieve temperatuur.

Je kan hierdoor verder niet spreken over de temperatuur van een enkel deeltje. Temperatuur is een eigenschap van systemen met veel deeltjes. Één electron heeft geen tempetaruur, enkel energie. Als mensen het hebben over de temperatuur van een enkel electron, heeft men het over de energie gedeeld door de constante van Boltzmann: E/kB. Dit is geen echte temperatuur, maar gewoon de energie uitgedrukt in andere eenheden.