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brighttiger金虫 (正式写手)
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有关负温度的一点想法
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负温度，你该如何想象（转载于“青年科学”） 开宗明义，我们不要把负温度与零下摄氏度混为一谈，这是两码事。 一般科学家所说的温度都是开尔文温度，即大于0开（-273.15摄氏度）的温度。如果画一个坐标轴，把0开作为原点，我们所说的温度都是原点右边的温度。那么，原点左边的温度该怎么描述呢？可能你马上就能想到，用负温度表示。完全正确。可是，另一个问题接着就来了，因为我们日常生活中根本不存在负温度的现象，负温度该如何理解呢？ 负温度是物理上的一个概念。同样，我们可以用物理上的原理解释负温度。我们都知道，通常所说的温度与原子的运动状态联系在一起。随着温度的升高，原子的能量也升高，原子运动得就会激烈，无序度就会增高。在低温时，高能量原子的数目总是少于低能量原子的数目，所以随着温度的升高，高能量原子数目逐渐增多，原子的混乱度也随之增加。而当所有原子的能量无限增大后，这时高能量原子的数目就会多于低能量原子的数目，随之会出现一个反常的现象，那就是原子的混乱度会随着温度的继续升高而降低，变无序为有序。这种情形可以用一个例子来形象地说明：地上有一把摆得很整齐的筷子，当有外力作用时，它们就会混乱起来，有的斜着，有的立着，有的悬在空中。当外力继续作用时，很可能所有的筷子瞬间都立了起来，这时，原来的无序状态就消失了。这时的状态就是负温度状态。 但是，负温度不是描述宏观物体状态的概念，它是描述微观粒子能量反转状态的数学表述。这一概念的提出在物理学史上经历了30多年。早在1917年，爱因斯坦在研究黑体辐射对气体平衡计算时，发现辐射具有两种形式，自发辐射和受激辐射，从而提出了受激辐射的理论。1928年，德国的兰登伯在研究氖气色散现象时，发现激发电流超过一定值时，氖气的反常色散效应增强，这个实验实际上间接证实了受激辐射的存在，也直接给出了受激辐射的发生条件是实现粒子数反转。粒子数反转这一思想至关重要，然而在当时人们的心目中，认为这是不可思议的，因为在热平衡条件下，低能级粒子数总要比高能级粒子数多，实现粒子数反转就等于要破坏热平衡。因此粒子数反转思想未能引起更多人的注意。直到1951年，美国物理学家珀塞尔首先提出“负温度”概念，并把粒子数反转称为“负温度”状态。 这一温度概念的提出，解开了人们的思想禁锢，突破了人们对温度的原有想象。一直以来，在人们的传统思维中，认为比0开低的温度，肯定能量更低，也更寒冷。事实却相反，当温度趋于无穷大时，才会出现负温度状态。 现在我们明白了，所谓的负温度，是能量比正温度还要高的状态。如果从冷热来说，负温度比正温度更“热”。如果正负温度的两物体热接触，热量将从负温物体传到正温物体。并且，负温度只能出现在组成宏观物体的微观粒子的能级是有限的情况。如果能级无限，粒子的能量就会无限上升，而不会出现反转。例如只考察某粒子的自旋在磁场中的能量。就是有限的能级。而平常多数系统例如原子组成的系统，由于原子能级无限（例如氢原子从基态-13.6电子伏特到电离态0电子伏特之间有无穷多个能级），所以不存在负温度状态。 负温度其实是描述从零到正无穷的开氏温标所不能描述的状态。在开氏温度达到正无穷后还有温度，即负温度。这样就明确了负温度的含义：它不是表示比绝对零度还低的温度，而是表示大于正无穷的温度。 对于负温度这个理论概念，看起来，挺玄的！目前在材料上，负温度系数热敏电阻器比较热，占据一定的市场。但在其它方面似乎与具体的科研工作相差较大，故此将此概念传到论坛，与感兴趣的虫友探讨一下,呵呵！ |
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