为什么说热力学温度高（科学家制造出负热力学温度）

负热力学温度，比绝对零度还“低”的温度！

看到标题，肯定有人会暗想在胡说，有点热力学常识的人都知道，绝对零度不可达到，怎么可能得到比热力学温度还低的温度。

如果你只看到这里就下定论，说明你对热力学温度的定义，还不够理解，在特殊情况下，负热力学温度是允许存在的，甚至可以理解为“负热力学温度是比正无穷大温度还高的温度”，相当于正温度的反转，而且科学家已经在实验室，制造了负热力学温度。

要理解其中奥秘，我们得重新理一遍热力学温度的定义，温度是微观粒子无序运动的宏观统计现象，统计力学就是联接微观粒子和宏观温度的桥梁。

在十九世纪，大物理学家麦克斯韦，提出了温度的微观统计规律，叫做麦克斯韦分布；后来玻尔兹曼推广了麦克斯韦分布，现称之为麦克斯韦-玻尔兹曼分布，在热力学课程中，可是极为重要的概念。

其中细节我不再详诉，直接拿出结论，在统计力学中，温度和微观粒子的关系变为：

其中S为系统熵，U为系统内能，V是体积，k就是大名鼎鼎的玻尔兹曼常数，N为系统微观粒子数，对于简单的系统，n可以理解为粒子激发态数量，ε为单个激发态粒子的能量。

在平衡态的麦克斯韦-玻尔兹曼分布中，n都是小于0.5N的，但是在数学上，当n>0.5N时，就会出现负温度，这就是负温度的来源。

例如：对于二元体系的具有N个粒子的系统，我们以1/2自旋来代表基态和激发态，粒子自旋方向只有向上和向下两种，然后用统计力学来解释负温度。

1、 当N个粒子都指向上方时，系统处于高度有序状态，此时系统熵S=0；

2、 当我们给系统，注入单个激发态粒子的内能ε时，一共由N种可能，于是系统的无序度，也即是熵S=kLnN；

3、 随着继续注入内能，系统的熵增加，温度也随之增加。

4、 直到注入0.5εN时，有一半粒子发生了转向（向下），此时系统无序度达到最大，熵最大，温度也达到最大；

5、 然后我们继续注入内能，系统无序度反而减小，系统的熵也减小，根据温度定义，此时温度瞬间反转为负温度，随着内能的继续注入，温度的绝对值向零变化；

6、 直到注入Nε内能，此时所有粒子指向反转为下，系统无序度再次回到零。整个过程温度由零到正最大，然后反转为负最大，再回到零。

以上过程为简化的负温度模型得例子。

在2014年的《自然》杂志上，就刊登了一篇德国物理学家，利用“钾”原子，巧妙地制造了低于绝对零度的量子气体，大约为负的十亿分子一（K）。

对于负温度的研究，科学家推测会产生奇妙的行为，比如负温度的量子云，部分会出现反重力现象等等。至于这个说法对不对，还待证实。

科学就是这么奇妙，一个领域说绝对零度不可达到，一个领域说能创造负温度，两者本身没有矛盾，那么你能看出来分歧在哪吗?

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