บทความนี้เป็นการเขียนที่เกินความสามารถของตัวเองไปเยอะ ปรกติเวลาเขียนเรื่องอื่นนี่มันจะมีอ้างอิงของผู้รู้ให้ก๊อบๆลอกๆเยอะ แต่เรื่องอุณหภูมิลบ นอกจากที่ keyword มันจะค้นไปแล้วเจอเรื่องอากาศหนาวแทนจะเป็นเรื่องฟิสิกส์ ไอ้คนที่เขียนเรื่องนี้นี่มันก็ไม่ค่อยจะเยอะเท่าไร ตัวเทอร์โมไดนามิกส์ที่ผมเรียนมา มันก็แค่แตะๆระดับกลศาสตร์สถิติ ไม่ได้ไปถึงระดับของพวกฟิสิกส์อนุภาคเขา แต่เอาก็เอาวะ เรื่องนี้ เรามาลุยเขียนกันไป ตรงไหนที่ผมเข้าใจผิด ก็มาช่วยๆกันดูก็แล้วกัน ไงๆ Theme บทความของผม มันก็เป็นการลองหาคำตอบในเรื่องที่เจ้า Darth Prin มันไม่รู้แต่อยากจะรู้อยู่แล้วนี่นะ
นิยามตั้งแต่ต้นของอุณหภูมิ คือ พลังงานจลน์เฉลี่ยนของอนุภาค ที่เป็นรากฐานของความร้อน และเพราะจนถึงที่สุดแล้ว อุณหภูมิเกี่ยวข้องกับความไม่เป็นระเบียบของอนุภาค อันนี้ถ้าทับศัพท์ว่าเป็น Chaos หรือความโกลาหลวิ่งชนอลหม่านอาจเข้าใจได้ง่ายกว่า การวัดความโกลาหลอลหม่านของอนุภาคนี้เอง ทำให้ในทางกลศาสตร์สถิติ (Statistical mechanic) เรานิยาม อุณหภูมิ ว่าเป็นการเปลี่ยนแปลงของพลังงานต่อเอนโทรปี ยิ่งมีความโกลาหลมาก อุณหภูมิก็ยิ่งสูง และในขณะเดียวกัน เอนโทรปีก็จะเพิ่ม ซึ่งเราเขียนเป็นสมการความสัมพันธ์ได้ว่า
T = dE/dS
แน่นอน ว่ายิ่งเราให้ความร้อนไปเรื่อยๆ พลังงานจลน์จะเพิ่มขึ้น และอนุภาคจะมีการเคลื่อนไหวที่ไม่เป็นระเบียบมากขึ้น จากสภาพที่สสารอยู่นิ่งเป็นของแข็ง มันละลายเป็นของเหลวมีการเคลื่อนไหวไปมาของโมเลกุล และเมื่อใส่พลังงานเข้าไปอีก มันจะกลายเป็นก๊าซ และถ้าเพิ่มพลังงานเข้าไปอีก อิเลคตรอนจะมีพลังงานพอที่จะเอาชนะแรงยึดเหนี่ยวและหลุดออกมาเป็นสถานะของพลาสม่า และ เมื่อใส่พลังงานเข้าไปเรื่อยๆกว่านั้น แม้แต่อนุภาคมูลฐานของอะตอมก็ยังจะหลุดออกมา ในเชิงนิยามของอุณหภูมินี้ มันเสมือนไม่มีอุณหภูมิที่สูงที่สุด แต่ด้วยหลักการแผ่รังสี เรารู้ว่า ยิ่งมีความร้อนสูงเท่าไร ความยาวคลื่นของการแผ่รังสีจะยิ่งสั้น และ เราจะชนข้อจำกัดของอุณหภูมิเมื่อความร้อนไปถึงจุดที่ค่าการแผ่รังสีมีความยาวคลื่นต่ำกว่า 1 ความยาวแพลงก์ (Planck length) และไม่มีสสารใดจะเสถียรพอจะคงอยู่ได้ และเราอาจเรียกอุณหภูมินี้ว่าเป็นอุณหภูมิที่ร้อนสุดๆแบบสมบูรณ์ (Hagedorn Temperature)
...แล้วอุณหภูมิลบ มันอยู่ที่ตรงไหน...
การจะเข้าใจอุณหภูมิลบ เราต้องย้อนกลับไปที่นิยามของอุณหภูมิตามกลศาสตร์สถิติ ที่นิยามอุณหภูมิไว้เป็นการเปลี่ยนแปลงของความพลังงานต่อความไม่เป็นระเบียบ อนุภาคต่างๆ วงโคจรของอิเลคตรอน มันจะมีค่าสูงสุดและต่ำสุดอยู่เสมอ และเวลาเราวัดความเป็นระเบียบของอนุภาคเหล่านี้ เราวัดการกระจัดเปลี่ยนแปลงของระดับพลังงานที่ยิ่งอุณหภูมิสูงเท่าไร มันก็จะกระจายตัวจากจุดศักย์พลังงานต่ำขึ้นมาเท่านั้น และเพราะมันมีเพดานค่าพลังงานสูงสุดของอนุภาค นักวิทยาศาสตร์ เลยคิดแผลงๆ ลดอุณหภูมิของสสารจนถึงระดับต่ำสุด ที่อนุภาคอยู่ในสภาพเป็นระเบียบที่หลุมของค่าพลังงานต่ำสุด แล้วก็
“กลับข้าง” ให้อนุภาคเหล่านี้ไปติดดอยบนเพดานค่าพลังงานที่สูงที่สุด
เปรียบเทียบ ซ้ายสุดคือสภาพ 0 K กลางคือสภาพที่พลังงานทำให้อนุภาคมีการเคลื่อนไหวไปทั่ว ส่วนด้านขวา เป็นการติดดอยที่อุณหภูมิ -0 K ซึ่งต้องใส่พลังงานเข้าไปทันทีเพื่อกลับด้านจาก 0 K
ในการลดอุณหภูมิของสสารนั้น อุณหภูมิคือพลังงานจลน์ที่มีอยู่ในสสาร ขั้นแรกนักวิทยาศาสตร์ใช้แสงเลเซอร์ในการบังคับการเคลื่อนไหวจนอนุภาคมีสภาพเกือบหยุดนิ่ง วิธีการทำ Laser Cooling จะสามารถลดอุณหภูมิสารลงได้ในหลักมิลลิเคลวิน หลังจากนั้น นักวิทยาศาสตร์ จะใช้การคัดอนุภาคที่มีพลังงานสูงออกด้วยกระบวนการคล้ายการระเหย (evaporative cooling) โดยใช้สนามแม่เหล็กกักอนุภาคไว้ ก่อนเป่าด้วยรังสี และค่อยๆลดขอบของสนามแม่เหล็กปล่อยให้อนุภาคที่มีพลังงานจลน์สูงหลุดออกไป ด้วยวิธีนี้ อนุภาคที่เหลือจะเป็นอนุภาคที่มีพลังงานจลน์ต่ำมากๆและมีอุณหภูมิระดับ นาโนเคลวิน
วิธีการสร้างสภาพอุณหภูมิเกือบ 0 เคลวิน
อนุภาคที่กักไว้ในสนามแม่เหล็กนี้จะวางตัวในทิศทางเดียวกับสนามแม่เหล็ก เมื่อเรากลับขั่วสนามแม่เหล็กแบบทันที สิ่งที่เกิดขึ้นคือ อนุภาค จะถูกกักไว้ในสภาพที่เรียงตัวในทิศตรงข้ามกับสนามแม่เหล็ก สภาพตรงนี้ เป็นสภาพที่สสารจะมีพลังงานศักย์สูงเป็นที่สุด แต่ไม่มีช่องว่างให้เปลี่ยนขั้ว พลังงานจลน์เป็น 0 เช่นเดียวกับเอนโทรปีอยู่ในระดับต่ำสุด
สภาพการติดดอยของอนุภาค มันเป็นสภาพที่เสถียรเป็นอย่างยิ่งเพราะอนุภาคมีการจับตัวพัวพันกันและไม่มีที่ๆจะระบายพลังงานส่วนเกินนี้ออกไปได้ เมื่อมันมีความเป็นระเบียบเป็นอย่างยิ่ง เอนโทรปี อยู่ในระดับต่ำสุด แต่พลังงานอยู่ในระดับสูงสุดกู่ การเพิ่มของพลังงานเข้าไปดันทำให้เอนโทรปีลดลง เมื่อ T = dE/dS dS เป็นลบ แต่ dE นั้นเป็นบวก คำตอบของสมการก็คือ ค่าอุณหภูมินั้นจะต้องเป็นลบ และเราเรียกสภาพนี้ว่า อุณหภูมิลบ ซึ่ง มีปริมาณพลังงานสูงเป็นอย่างยิ่ง และถ้าเอาวัตถุที่มีอุณหภูมิบวกไปวางประชิดพลังงานย่อมถ่ายจากอุณหภูมิลบไปยังอุณหภูมิบวก
เอนโทรปีและพลังงาน ค่า entropy อยู่ที่ max ที่อุณหภูมิเป็นอนันต์ ส่วนด้านขวาเป็นสภาพอุณหภูมิลบซึ่งเพราะพลังงานมีมากและไม่สามารถถ่ายออก การเคลื่อนไหวจึงจำกัดและมีเอนโทรปีต่ำ
จากที่อธิบายมาตรงนี้ ผมมีข้อสังเกตว่า เราไม่มีทางใช้การค่อยๆเพิ่มพลังงานให้ไปถึงอุณหภูมิลบได้ เพราะสสารจะสลายตัวไปเสียก่อนที่อุณหภูมิ Hagedorn และ กลไกการลดของอุณหภูมิ กลับมาสู่อุณหภูมิบวก มันน่าจะต้องมีการกระโดดข้ามด้วยการถ่ายพลังงานออกไม่ใช่ค่อยๆลดไปจนถึงติดลบอนันต์แล้วข้ามกลับมา เราอาจบอกว่าอุณหภูมิลบสมบูรณ์ -0 เป็นอุณหภูมิที่ระบบมีพลังงานภายในสูงที่สุดเท่าที่เป็นไปได้โดยไม่ล้มเหลวสลายแยกตัวไปเป็น Subatomic particles ไปเสียก่อน ตามความเข้าใจของผมละนะ
Negative temperature อุณหภูมิลบ
บทความนี้เป็นการเขียนที่เกินความสามารถของตัวเองไปเยอะ ปรกติเวลาเขียนเรื่องอื่นนี่มันจะมีอ้างอิงของผู้รู้ให้ก๊อบๆลอกๆเยอะ แต่เรื่องอุณหภูมิลบ นอกจากที่ keyword มันจะค้นไปแล้วเจอเรื่องอากาศหนาวแทนจะเป็นเรื่องฟิสิกส์ ไอ้คนที่เขียนเรื่องนี้นี่มันก็ไม่ค่อยจะเยอะเท่าไร ตัวเทอร์โมไดนามิกส์ที่ผมเรียนมา มันก็แค่แตะๆระดับกลศาสตร์สถิติ ไม่ได้ไปถึงระดับของพวกฟิสิกส์อนุภาคเขา แต่เอาก็เอาวะ เรื่องนี้ เรามาลุยเขียนกันไป ตรงไหนที่ผมเข้าใจผิด ก็มาช่วยๆกันดูก็แล้วกัน ไงๆ Theme บทความของผม มันก็เป็นการลองหาคำตอบในเรื่องที่เจ้า Darth Prin มันไม่รู้แต่อยากจะรู้อยู่แล้วนี่นะ
นิยามตั้งแต่ต้นของอุณหภูมิ คือ พลังงานจลน์เฉลี่ยนของอนุภาค ที่เป็นรากฐานของความร้อน และเพราะจนถึงที่สุดแล้ว อุณหภูมิเกี่ยวข้องกับความไม่เป็นระเบียบของอนุภาค อันนี้ถ้าทับศัพท์ว่าเป็น Chaos หรือความโกลาหลวิ่งชนอลหม่านอาจเข้าใจได้ง่ายกว่า การวัดความโกลาหลอลหม่านของอนุภาคนี้เอง ทำให้ในทางกลศาสตร์สถิติ (Statistical mechanic) เรานิยาม อุณหภูมิ ว่าเป็นการเปลี่ยนแปลงของพลังงานต่อเอนโทรปี ยิ่งมีความโกลาหลมาก อุณหภูมิก็ยิ่งสูง และในขณะเดียวกัน เอนโทรปีก็จะเพิ่ม ซึ่งเราเขียนเป็นสมการความสัมพันธ์ได้ว่า
แน่นอน ว่ายิ่งเราให้ความร้อนไปเรื่อยๆ พลังงานจลน์จะเพิ่มขึ้น และอนุภาคจะมีการเคลื่อนไหวที่ไม่เป็นระเบียบมากขึ้น จากสภาพที่สสารอยู่นิ่งเป็นของแข็ง มันละลายเป็นของเหลวมีการเคลื่อนไหวไปมาของโมเลกุล และเมื่อใส่พลังงานเข้าไปอีก มันจะกลายเป็นก๊าซ และถ้าเพิ่มพลังงานเข้าไปอีก อิเลคตรอนจะมีพลังงานพอที่จะเอาชนะแรงยึดเหนี่ยวและหลุดออกมาเป็นสถานะของพลาสม่า และ เมื่อใส่พลังงานเข้าไปเรื่อยๆกว่านั้น แม้แต่อนุภาคมูลฐานของอะตอมก็ยังจะหลุดออกมา ในเชิงนิยามของอุณหภูมินี้ มันเสมือนไม่มีอุณหภูมิที่สูงที่สุด แต่ด้วยหลักการแผ่รังสี เรารู้ว่า ยิ่งมีความร้อนสูงเท่าไร ความยาวคลื่นของการแผ่รังสีจะยิ่งสั้น และ เราจะชนข้อจำกัดของอุณหภูมิเมื่อความร้อนไปถึงจุดที่ค่าการแผ่รังสีมีความยาวคลื่นต่ำกว่า 1 ความยาวแพลงก์ (Planck length) และไม่มีสสารใดจะเสถียรพอจะคงอยู่ได้ และเราอาจเรียกอุณหภูมินี้ว่าเป็นอุณหภูมิที่ร้อนสุดๆแบบสมบูรณ์ (Hagedorn Temperature)
...แล้วอุณหภูมิลบ มันอยู่ที่ตรงไหน...
การจะเข้าใจอุณหภูมิลบ เราต้องย้อนกลับไปที่นิยามของอุณหภูมิตามกลศาสตร์สถิติ ที่นิยามอุณหภูมิไว้เป็นการเปลี่ยนแปลงของความพลังงานต่อความไม่เป็นระเบียบ อนุภาคต่างๆ วงโคจรของอิเลคตรอน มันจะมีค่าสูงสุดและต่ำสุดอยู่เสมอ และเวลาเราวัดความเป็นระเบียบของอนุภาคเหล่านี้ เราวัดการกระจัดเปลี่ยนแปลงของระดับพลังงานที่ยิ่งอุณหภูมิสูงเท่าไร มันก็จะกระจายตัวจากจุดศักย์พลังงานต่ำขึ้นมาเท่านั้น และเพราะมันมีเพดานค่าพลังงานสูงสุดของอนุภาค นักวิทยาศาสตร์ เลยคิดแผลงๆ ลดอุณหภูมิของสสารจนถึงระดับต่ำสุด ที่อนุภาคอยู่ในสภาพเป็นระเบียบที่หลุมของค่าพลังงานต่ำสุด แล้วก็ “กลับข้าง” ให้อนุภาคเหล่านี้ไปติดดอยบนเพดานค่าพลังงานที่สูงที่สุด
ในการลดอุณหภูมิของสสารนั้น อุณหภูมิคือพลังงานจลน์ที่มีอยู่ในสสาร ขั้นแรกนักวิทยาศาสตร์ใช้แสงเลเซอร์ในการบังคับการเคลื่อนไหวจนอนุภาคมีสภาพเกือบหยุดนิ่ง วิธีการทำ Laser Cooling จะสามารถลดอุณหภูมิสารลงได้ในหลักมิลลิเคลวิน หลังจากนั้น นักวิทยาศาสตร์ จะใช้การคัดอนุภาคที่มีพลังงานสูงออกด้วยกระบวนการคล้ายการระเหย (evaporative cooling) โดยใช้สนามแม่เหล็กกักอนุภาคไว้ ก่อนเป่าด้วยรังสี และค่อยๆลดขอบของสนามแม่เหล็กปล่อยให้อนุภาคที่มีพลังงานจลน์สูงหลุดออกไป ด้วยวิธีนี้ อนุภาคที่เหลือจะเป็นอนุภาคที่มีพลังงานจลน์ต่ำมากๆและมีอุณหภูมิระดับ นาโนเคลวิน
อนุภาคที่กักไว้ในสนามแม่เหล็กนี้จะวางตัวในทิศทางเดียวกับสนามแม่เหล็ก เมื่อเรากลับขั่วสนามแม่เหล็กแบบทันที สิ่งที่เกิดขึ้นคือ อนุภาค จะถูกกักไว้ในสภาพที่เรียงตัวในทิศตรงข้ามกับสนามแม่เหล็ก สภาพตรงนี้ เป็นสภาพที่สสารจะมีพลังงานศักย์สูงเป็นที่สุด แต่ไม่มีช่องว่างให้เปลี่ยนขั้ว พลังงานจลน์เป็น 0 เช่นเดียวกับเอนโทรปีอยู่ในระดับต่ำสุด
สภาพการติดดอยของอนุภาค มันเป็นสภาพที่เสถียรเป็นอย่างยิ่งเพราะอนุภาคมีการจับตัวพัวพันกันและไม่มีที่ๆจะระบายพลังงานส่วนเกินนี้ออกไปได้ เมื่อมันมีความเป็นระเบียบเป็นอย่างยิ่ง เอนโทรปี อยู่ในระดับต่ำสุด แต่พลังงานอยู่ในระดับสูงสุดกู่ การเพิ่มของพลังงานเข้าไปดันทำให้เอนโทรปีลดลง เมื่อ T = dE/dS dS เป็นลบ แต่ dE นั้นเป็นบวก คำตอบของสมการก็คือ ค่าอุณหภูมินั้นจะต้องเป็นลบ และเราเรียกสภาพนี้ว่า อุณหภูมิลบ ซึ่ง มีปริมาณพลังงานสูงเป็นอย่างยิ่ง และถ้าเอาวัตถุที่มีอุณหภูมิบวกไปวางประชิดพลังงานย่อมถ่ายจากอุณหภูมิลบไปยังอุณหภูมิบวก
จากที่อธิบายมาตรงนี้ ผมมีข้อสังเกตว่า เราไม่มีทางใช้การค่อยๆเพิ่มพลังงานให้ไปถึงอุณหภูมิลบได้ เพราะสสารจะสลายตัวไปเสียก่อนที่อุณหภูมิ Hagedorn และ กลไกการลดของอุณหภูมิ กลับมาสู่อุณหภูมิบวก มันน่าจะต้องมีการกระโดดข้ามด้วยการถ่ายพลังงานออกไม่ใช่ค่อยๆลดไปจนถึงติดลบอนันต์แล้วข้ามกลับมา เราอาจบอกว่าอุณหภูมิลบสมบูรณ์ -0 เป็นอุณหภูมิที่ระบบมีพลังงานภายในสูงที่สุดเท่าที่เป็นไปได้โดยไม่ล้มเหลวสลายแยกตัวไปเป็น Subatomic particles ไปเสียก่อน ตามความเข้าใจของผมละนะ