负温度只是一种反常的能量分布。能量都是正的!而且要大于绝对零度时的能量。学过热力学和统计物理的同学们应该记得,麦克斯韦—玻尔兹曼分布是温度的函数。
令 Ni 为 i 能态的粒子数,Ei 为这个能态的能量,N 为总粒子数。那么Ni /N=gi e−Ei /kT/∑i e−Ei /kT。不喜欢公式的骚年们可先无视其他,只关注这个 e 指数函数 e−Ei /kT,其中 k 是波尔兹曼常数,就当他是 1 好了。对于理想气体(无相互作用的自由气体),一维速度分布就是一个高斯线形。好,如果引入相互作用,那么麦克斯韦—玻尔兹曼分布就会发生改变。如果改变到这种情况:eEi /kT,那么就等效于 T 变成负的了,变成负温度状态。
因为 Ei 的符号不变,所有的能量都是还正的,而且由于 Tmax 处的粒子数远大于 T=0 处,在负温度的情况下,系统的总能量还要比之前高。之所以很多人把”负温度“误解为”负能量,原因就是很多人简单地把温度和能量等同,却忽视了温度 T 是麦克斯韦—玻尔兹曼分布的参数。“绝对零度”真正的意义是绝对能量的最低点。
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