Når gradestokken kryper ned mot nasjonale katastrofeoverskrifter og presser strømprisene i været, er det kanskje liten trøst i at det kan bli kaldere, mye kaldere.

Den vanlige Celsius-skalaen slår over fra pluss- til minusgrader ved vannets frysepunkt. Så fortsetter den videre forbi den laveste temperaturen som er målt på jorda, minus 89,2 grader C på Vostok-stasjonen i Antarktis.

Forbi det absolutte nullpunkt

Men selv denne iskulda er lun og trivelig, sammenlignet med minus 240 grader C i dypet av kratere med evig skygge på månen.

Og enda er det 33 grader til ned mot temperaturskalaens absolutte nullpunkt, minus 273,15 grader C. Fysikerne bruker en absolutt temperaturskala. Den sier at minus 273,15 grader C er lik null grader Kelvin.

Når den absolutte temperaturen er null, kan det ikke bli kaldere. Ikke på baksiden av dvergplaneten Pluto. Ikke i en galakse, langt, langt borte. Eller – kan det?

Fysikerne regner nemlig ubesværet med negative absolutte temperaturer.

- Dette er noe annet enn det vi vanligvis forstår med temperaturer, sier Bjørn Samset. Han er fysiker, og arbeider for tida ved forskningssenteret CICERO.

- For å forstå disse merkelige negative absolutte temperaturene i grove trekk, er det nødvendig å se nærmere på hva temperatur egentlig er, fortsetter han.

Skjelvende blomsterstøv

I 1827 studerte den skotske botanisten Robert Brown blomsterstøv i vann under mikroskopet. Han la merke til at ørsmå partikler, som ble sendt ut av støvkornene, hoppet og danset i synsfeltet.

Brown var en av de første som så de termiske bevegelsene. Til ære for ham kalles de for brownske bevegelser.

Jo varmere et stoff er, desto mer brownske bevegelser har de. Til slutt kan vibrasjonene bli så kraftige at faste stoffer rives og slites fra hverandre og flyter fritt omkring. Sagt med andre ord: De smelter.

Går vi den andre veien, blir bevegelsene svakere. Molekylene klarer å hekte seg fast i hverandre. Lava størkner. Vann fryser.

Endestasjonen

Og blir det kaldt nok, så stanser de brownske bevegelsene nesten helt opp. Vi må skrive ”nesten”, for det er en liten rest av bevegelse igjen som skyldes de særegne, underlige fysiske lovene som gjelder for det aller minste: kvantemekanikken.

Uansett: Null grader Kelvin er en endestasjon. Her nede i bunnen av den absolutte temperaturskalaen står molekylene stille. Og stillere enn stille kan de ikke stå.

Så hva er da negativ absolutt temperatur? Hadde de vært som vanlige minusgrader, burde vi ha funnet dem ved å fire oss videre nedover forbi null på den absolutte temperaturskalaen. Men vi må faktisk lete i den helt andre enden.

Planck-temperaturen

For hvor varmt kan det egentlig bli? Det finnes ingen absolutt grense. Uansett hvor høy temperaturen er, så går det an å tilføre enda litt mer varme og presse den videre opp.

Riktignok har går det en grense ved 14 tusen milliarder milliarder milliarder grader. Dette kalles kalles Planck-temperaturen.

Navnet har den fått etter den tyske fysikeren Max Planck. Han grunnla kvanteteorien, som streker opp noen av yttergrensene for vår tids fysiske verdensbilde.
Og Planck-temperaturen er en slik grense.

- Hvis det blir varmere, så bryter våre fysiske teorier sammen, sier Samset. – Teoriene bryter også sammen når vi nærmer oss øyeblikket da universet oppstod i Det store smellet. Da hadde hele universet et ørlite øyeblikk denne enorme temperaturen.
Men hva betyr det egentlig at våre teorier bryter sammen?

- Naturen bryr seg ikke om det. Det kan alltid bli varmere. Vi skjønner bare ikke hva som skjer, sier Samset.

Pluss og minus uendelig møtes

Men selv om vi ikke skjønner hva som skjer, så kan vi alltid tenke på et høyere tall. Og ved pluss uendelig absolutt temperatur skjer det merkelige: pluss og minus uendelig møtes.

Og enda merkeligere: Fortsetter du å tilføre energi, så faller de negative gradene, ned mot minus null.

De laveste negative Kelvin-gradene er med andre ord de aller varmeste. Eller – kan vi egentlig kalle dette varme, i vanlig forstand?

Et nytt landskap

- Vi er i ferd med å gå over en terskel, sier Bjørn Samset.

– I vanlige fysiske systemer finnes ikke negative absolutte temperaturer. De finnes bare i helt spesielle tilfeller.

- Vi må bevege oss inn i det fremmedartede landskapet til teoriene for mikroskopiske systemer, det fysikerne kaller termofysikk eller statistisk fysikk, forklarer han videre.

Fysikerne definerer nemlig ikke temperatur bare ut fra hvor store de brownske bevegelsene er. De trekker også inn andre grunnleggende begreper, og bygger teoriene for temperatur nedenfra og opp.

Og de teoretiske byggeklossene i dette byggverket heter energimengde og orden.

Fra orden mot kaos

- Tenk på det absolutte nullpunktet, sier Samset. – Da ligger alle atomene helt i ro. De danner et jevnt mønster, som er bestemt av bindingene som holder dem sammen. Det hersker perfekt orden.

- Jo mer energi vi tilfører, desto mer begynner atomene å vibrere. De brownske bevegelsene er tilfeldige og kaotiske. Orden forandrer seg gradvis til mer og mer kaos jo mer energi vi tilfører.

- Dette er nettopp definisjoen på temperatur, forklarer han. – Tilfører du energi, så øker kaos.

Men så nærmer vi oss det nærmest uforståelige: Slike systemer av atomer har en maksimal mengde uorden de kan ha, en slags tilstand av totalt kaos. Da er temperaturen uendelig, ifølge denne definisjonen.

Men hva skjer da hvis du tilfører enda mer energi?

- Jo mer energi du da tilfører, desto mindre kaos får du. Dette kaller vi negativ temperatur. Oppførselen er omvendt av hva vi har til vanlig. Å tilføre energi dytter systemet tilbake mot perfekt orden, eller altså null temperatur, sier Samset.

Hvordan kan det skje?

Når elektroner går i spinn

- I disse helt spesielle systemene ser vi på isolerte egenskaper, forklarer Samset videre. – En slik egenskap kan være spinnretningen til elektronene som går i bane rundt atomkjernen.

Som vi så, er det blant annet energien som definerer temperaturen. Og med i dette energiregnskapet er spinnet til elektronene. Men det er først når de elektrisk ladede elektronene settes i et kraftig magnetfelt, at negative absolutte temperaturer kan oppstå.

“Flipper ut”

Da hopper nemlig elektronene inn på geledd. De stiller spinnaksene langs magnetfeltet. Når den absolutte temperaturen er null, peker alle spinnaksene i samme retning.

Men jo mer energi vi tilfører, desto mer uryddige blir spinnaksene. Kaos øker. På grunn av det utvendige magnetfeltet kan de likevel ikke snu seg i hvilken retning de vil. De må velge mellom å stå med magnetfeltet eller helt motsatt magnetfeltet.

Det betyr at flere og flere elektroner ”flipper” over til motsatt retning jo høyere temperaturen stiger. Når vi har kommet til pluss uendelig absolutt temperatur, står halvparten av spinnaksene den ”riktige” veien og halvparten motsatt vei. Kaos er maksimalt.

Like, men motsatt

Hva skjer så, når vi tilfører enda mer energi? Jo, enda flere elektroner ”flipper” over til motsatt spinnretning.

Og ved minus null grader Kelvin står alle spinnaksene feil vei. Energien er maksimal, men perfekt orden er gjenopprettet.

Overfladisk sett ligner pluss null og minus null altså på hverandre: Spinnaksene er ensrettet. Det hersker fullkommen orden.

Men ser vi nærmere etter, så står spinnaksene nøyaktig motsatt ved pluss null og minus null. Og energiforskjellen mellom pluss null og minus null kan ikke bli større.

Nye stoffer underveis

Men elektronspinn i magnetfelt har sine begrensninger for de som vil undersøke negative absolutte temperaturer nærmere. Nylig har tyske fysikere foreslått andre metoder.

- Her er det snakk om å skape negative absolutte temperaturer i samlinger av atomer som beveger seg, ikke bare i spinnene deres i forhold til et magnetfelt, sier Samset.

Achim Rosch og kollegene hans ved Köln universitet vil bruke lasere som samler atomer inn i en kompakt kule med høy orden, og så tilføre energi slik at kula sprer seg utover med økende uorden. På denne måten håper de å kunne påvise sikkert at det faktisk er stoff med negative absolutte grader de har laget.

Håpet er å prøve det ut ved eksperimenter i løpet av et år eller så, heter det i en artikkel fra New Scientist.

I tide til neste kuldeperiode, med andre ord.

Lenker

How to create temperatures below absolute zero, artikkel i New Scientist

Absolute hot, populærvitenskapelig artikkel på nettsidene til det amerikanske PBS-programmet Nova

Below Absolute Zero - What Does Negative Temperature Mean? Artikkel fra nettstedet Physics FAQ, ganske avansert forklaring