فيزيک‌دانان ذراتِ موجود در يک نمونه‌ي گازي را وادار کرده‌اند که بر خلافِ داشتنِ مقاديرِ بسيار زيادي از انرژي، هم‌چنان مقيد باقي بمانند. به اين ترتيب شمارِ ذراتِ موجود در ترازهاي بالاترِ انرژي بيش از شمارِ آن‌ها در ترازهاي پايين‌تر است و اين به اين معناست که دماي اين نمونه‌ي گازي در مقياسِ کلوين، زيرِ صفرِ مطلق است.


گرچه متناقض به نظر مي‌آيد، اما پژوهش‌گران با سردکردنِ يک نمونه‌ي گازي و رساندنِ دماي آن به مقاديرِ منفي در مقياسِ کلوين، توانسته‌اند بالاترين دمايي را که تابه‌حال اندازه‌گيري شده است، ثبت کنند. اين پژوهش که چهارم ژانويه در مجله‌ي Science به چاپ رسيده به فيزيک‌دانان کمک مي‌کند که در موردِ پديده‌هاي کوانتومي و يا حتي شکلِ ناشناخته‌اي از انرژي که بر کيهان حکم‌فرمايي مي‌کند (انرژيِ تاريک)، بيش‌تر بياموزند.

منفي‌بودنِ دماي يک سامانه در مقياسِ کلوين نشان‌دهنده‌ي حالتي‌ست که در آن، شمارِ ذراتِ موجود در حالت‌هايي با انرژيِ بالاتر، بيش‌تر از ذراتي‌ست که در حالت‌هايي با انرژيِ پايين‌تر هستند.

همان‌گونه که آخيم رُش (Achim Rosch)، فيزيک‌داني از دانش‌گاهِ کُلنِ آلمان که در اين کارِ پژوهشي هم‌کاري نداشته توضيح مي‌دهد: "ما همواره به دماهايي با اندازه‌ي مثبت عادت داريم، درحالي‌که هيچ مانعي براي منفي‌بودنِ دما وجود ندارد. انجامِ کارهاي نامعمول همواره جذاب است".

معمولا دما را به عنوانِ سنجه‌اي براي اندازه‌گيريِ ميانگينِ انرژيِ ذراتِ موجود در يک نمونه تعريف مي‌کنيم. به عنوانِ مثال، انرژيِ مولکول‌هاي آب که در ديگي جوشان قرار دارند به طورِ ميانگين، بيش‌تر از انرژيِ مولکول‌هاي آبي راکد است که در يک مکعبِ يخي قرار دارد.

اما براي دانش‌منداني که مواد را در مقياس‌هاي کوانتومي بررسي مي‌کنند، دما به عنوانِ سنجه‌اي براي چگونگيِ توزيعِ انرژي ميانِ ذراتِ موجود در يک نمونه تعريف مي‌شود. درست در دمايي کمي بالاتر از صفرِ مطلق (صفرِ کلوين يا 273- درجه‌ي سلسيوس) تقريبا همه‌ي ذرات موجود در يک نمونه، انرژي‌شان بسيار نزديک به صفر است و ذرات تنها داراي جنبش‌هاي بسيار اندکي هستند. اما با افزايشِ دما، تفاوتِ ميانِ انرژيِ ذراتِ موجود در نمونه نيز افزايش مي‌يابد، برخي از ذرات هم‌چنان انرژيِ بسيار اندکي دارند اما ذراتِ ديگرِ نمونه در حالت‌هايي با انرژيِ بيش‌تر قرار مي‌گيرند.

اُلريش اِشنايدِر (Ulrich Schneider) يکي از فيزيک‌دانانِ دانش‌گاهِ لودويک ماکسي‌ميليان واقع در مونيخ است که براي انجامِ کاري شگرف، طرحي در دست دارد. او با فريب‌دادنِ ذراتِ موجود در يک نمونه، آن‌ها را وادار کرده که با وجودِ داشتنِ مقاديرِ بسيار زيادي از انرژي، هم‌چنان در حالت‌هاي مقيد باقي بمانند. به بيانِ ديگر، اين پژوهش‌گر به جاي آن‌که با افزايشِ انرژي، ذراتي که داراي کمينه مقدارِ انرژي هستند (حالتي با دماي صفرِ مطلق) را به حالت‌هايي با انرژيِ بيش‌تر بفرستد، ذراتي با بيشينه مقدارِ انرژي را به ميانِ حالت‌هايي با انرژيِ کم‌تر مي‌کشاند. بنا به تعريف، چنين نمونه‌اي در مقياسِ کلوين داراي دماي منفي خواهد بود.

اعضاي اين گروهِ پژوهشي براي رسيدن به اين هدف، ابتدا اتم‌هاي پتاسيم را تا دماي چند ميليارديومِ درجه بالاي صفرِ کلوين، سرد مي‌کنند. سپس با به‌کارگيريِ چند ليزر و آهن‌ربا، اتم‌ها را وادار مي‌کنند که به ترازي با انرژيِ بيش‌تر بروند. به اين ترتيب Schneider و هم‌کارانش با ايجادِ انبوهي از ذرات که در ترازهايي با انرژيِ بالا نگه‌داشته شده‌اند، اين نمونه‌ي گازي را به دمايي در حدودِ چند ميليارديومِ درجه زيرِ صفر کلوين مي‌رسانند.

اين دما در واقع دمايي زيرِ صفرِ کلوين نيست چراکه بر خلافِ مقياسِ فارنهايت و سلسيوس (که منفي‌بودنِ دما در آن‌ها به معنيِ سردتر بودنِ سامانه است)، دمايي که در مقياسِ کلوين منفي‌ست اطلاعاتي درباره‌ي ترازهاي انرژيِ ذراتِ موجود در يک سامانه به دست مي‌دهد. در واقع نمونه‌ي گازي که توسطِ اين گروهِ پژوهشي آماده‌سازي شده، بسيار داغ است چراکه بيش‌ترِ ذراتِ اين سامانه در ترازهايي با انرژيِ بالا قرار گرفته‌اند. همان‌گونه که Schneider توضيح مي‌دهد: "گرما هم‌واره از جسمِ گرم‌تر به سوي جسمِ سردتر شارش مي‌يابد. در اين آزمايش نيز شارشِ گرما هم‌واره از نمونه‌ي گازي به سوي محيطِ اطراف است. در حقيقت اين نمونه‌ي گازي از هرچه در اطرافِ آن مي‌شناسيم، گرم‌تر است".

بر خلافِ آن‌چه تاکنون گفته شد، اين آزمايش به‌خوديِ‌خود يک ترفندِ جالبِ فيزيکي نيست. چيزي که توجهِ دانش‌مندان را به بررسيِ مواد در دماي منفي جلب مي‌کند، ويژگي‌هاي شگرفِ ديگري‌ست که اين مواد از خود نشان مي‌دهند. مولکول‌هاي موجود در يک نمونه‌ي گازيِ معمولي، هم‌واره در حالِ پخش شدن هستند و به ديواره‌هاي ظرفي که در آن قرار گرفته‌اند، نيرو وارد مي‌کنند. اما يک نمونه‌ي گازي با دماي منفي، داراي فشارِ منفي نيز هست که به اين معناست که مولکول‌هاي چنين گازي به جاي آن‌که منبسط شوند، بيش‌تر تمايل دارند روي يک‌ديگر فروبريزند.

يافتنِ يک نمونه‌ي گازي با فشارِ منفي ممکن است نقشِ مهمي را در حوزه‌اي ديگر از فيزيکِ کيهانِ پيرامون ما ايفا کند: کيهان‌شناسان بر اين باورند که انرژيِ تاريک، پديده‌اي اسرارآميز که انبساطِ شتاب‌دارِ کيهان را سبب مي‌شود، نيز داراي فشارِ منفي‌ست. Schneider مي‌افزايد: "با انجامِ آزمايش‌هاي هرچه بيش‌تر درباره‌ي دمايِ منفي، که پديده‌اي کوانتومي‌ست، مي‌توان سرشتِ انرژيِ تاريکِ موجود در کيهان را هرچه بهتر شناسايي کرد".