การเกลี้ยกล่อมให้ก๊าซมีอุณหภูมิติดลบในระดับเคลวินทำสล็อตแตกง่ายให้เกิดอุณหภูมิที่ร้อนที่สุดที่เคยวัดได้ซึ่งขัดแย้งกัน การศึกษาซึ่งตีพิมพ์ใน วารสาร Science 4 มกราคมจะช่วยให้นักฟิสิกส์เรียนรู้เกี่ยวกับปรากฏการณ์ควอนตัมและบางทีแม้แต่พลังงานรูปแบบแปลก ๆ ที่ครอบงำจักรวาลอุณหภูมิเคลวินติดลบบ่งชี้ว่าอนุภาคที่มีพลังงานสูงมีจำนวนมากกว่าอนุภาคที่มีพลังงานต่ำAchim Rosch นักฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยโคโลญในเยอรมนีกล่าวว่า “เราคุ้นเคยกับอุณหภูมิที่เป็นบวก” ซึ่งไม่ได้เกี่ยวข้องกับการวิจัยกล่าว “แต่ไม่มีอะไรต้องห้ามเกี่ยวกับอุณหภูมิติดลบ การทำสิ่งผิดปกติเป็นสิ่งที่น่าสนใจเสมอ”
อุณหภูมิมักถูกตีความว่าเป็นการวัดพลังงานเฉลี่ยของอนุภาคในตัวอย่าง
ตัวอย่างเช่น โมเลกุลแต่ละโมเลกุลที่ส่งเสียงหึ่งๆ รอบๆ ในน้ำเดือด มีพลังงานโดยเฉลี่ยมากกว่าโมเลกุลของน้ำที่เฉื่อยในก้อนน้ำแข็ง
แต่สำหรับนักวิทยาศาสตร์ที่ศึกษาสสารในระดับควอนตัม อุณหภูมิถูกกำหนดได้ดีกว่าว่าเป็นการกระจายพลังงานของอนุภาคในตัวอย่าง อยู่เหนือศูนย์สัมบูรณ์ (0 เคลวินหรือ -273 องศาเซลเซียส) อนุภาคเกือบทั้งหมดภายในตัวอย่างมีพลังงานใกล้กับศูนย์มาก โดยมีความแปรผันเพียงเล็กน้อย แต่เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น ความแปรผันของพลังงานก็กว้างขึ้น อนุภาคบางตัวยังมีพลังงานขนาดเล็กมาก แต่บางชนิดก็มีมากกว่า
นักฟิสิกส์ Ulrich Schneider จากมหาวิทยาลัย Ludwig Maximilians แห่งมิวนิกตั้งใจจะทำอะไรบางอย่างที่ผิดปกติ: เขาต้องการเกลี้ยกล่อมอนุภาคภายในสารให้ถูกกักขังไว้ที่ระดับพลังงานที่สูงมาก กล่าวอีกนัยหนึ่ง แทนที่จะให้อนุภาคเริ่มต้นที่พลังงานขั้นต่ำ (ซึ่งสัมพันธ์กับศูนย์สัมบูรณ์) และกระจายออกไปสู่พลังงานที่สูงขึ้น เขาต้องการเริ่มต้นที่พลังงานสูงสุดและแผ่ไปยังพลังงานที่ต่ำกว่า ตามคำจำกัดความ สารดังกล่าวจะมีอุณหภูมิเคลวินเป็นลบ
ทีมงานของเขาประสบความสำเร็จด้วยโพแทสเซียมอะตอม
ที่เย็นลงถึงสองสามพันล้านเคลวินเหนือศูนย์สัมบูรณ์ ด้วยการใช้เลเซอร์และแม่เหล็ก ทีมงานสามารถดึงอะตอมให้เข้าสู่สถานะพลังงานสูงได้ ด้วยการสร้างกลุ่มอนุภาคที่มีพลังงานสูงโดยเฉพาะ ชไนเดอร์และเพื่อนร่วมงานของเขาจึงมีก๊าซที่ระดับลบไม่กี่พันล้านเคลวิน
อุณหภูมินี้ไม่ต่ำกว่าศูนย์สัมบูรณ์ในทางเทคนิค เนื่องจากค่าลบในระดับเคลวิน (ต่างจากระดับฟาเรนไฮต์หรือเซลเซียส) เป็นโครงสร้างที่บ่งชี้บางอย่างเกี่ยวกับสถานะพลังงานของอนุภาคที่เกี่ยวข้อง อันที่จริง การสร้างใหม่นั้นร้อนมากเพราะว่าอนุภาคมีพลังงานสูง ความร้อนเดินทางจากร้อนไปเย็นชไนเดอร์กล่าวและความร้อนจะไหลออกจากก๊าซนี้เสมอ “จริงๆแล้วมันร้อนกว่าทุกสิ่งที่เรารู้” เขากล่าว
แม้จะมีความหมายที่เกี่ยวข้อง การทดลองนี้ไม่ได้เป็นเพียงกลอุบายทางฟิสิกส์ที่สนุกสนานเท่านั้น นักวิทยาศาสตร์รู้สึกทึ่งกับสารที่มีอุณหภูมิติดลบเพราะมีคุณสมบัติที่แปลกประหลาดอื่นๆ โมเลกุลในก๊าซทั่วไปจะกระจายออกและออกแรงกระทำบนผนังของภาชนะ แต่ก๊าซอุณหภูมิติดลบก็มีแรงดันลบเช่นกัน ซึ่งหมายความว่าอนุภาคมีแนวโน้มที่จะยุบตัวแทนที่จะขยายตัว “มันต้องการยุบลงในจุดเดียว” ชไนเดอร์กล่าว
ความกดดันเชิงลบอาจมีความสำคัญในอีกส่วนหนึ่งของจักรวาลฟิสิกส์: นักจักรวาลวิทยาเชื่อว่าพลังงานมืดซึ่งเป็นสิ่งลึกลับที่ทำให้จักรวาลขยายตัวในอัตราเร่งก็มีแรงกดดันด้านลบเช่นกัน ชไนเดอร์แนะนำว่าการทดลองกับปรากฏการณ์ควอนตัมของอุณหภูมิติดลบสามารถเปิดเผยธรรมชาติของพลังงานมืดทั่วทั้งจักรวาลสล็อตแตกง่าย
