負溫度：比絕對零度更低的溫度？

組成物質的分子不斷地做熱運動，在宏觀上就體現為溫度，它是物體分子運動平均動能的標誌。分子運動越劇烈，則物體的溫度就越高，反之亦然。因此，物體的溫度存在一個下限，那就是當分子運動完全停止之時，此時的溫度被稱為絕對零度（約為零下273.15攝氏度）。

無論是固體、液體還是氣體，它們的溫度總是高於絕對零度。熱力學第三定律指出，任何物體不可能達到絕對溫度，只能無限接近。因為空間自始自終都是存在熱量和能量的互相轉換，分子運動不會完全停止，系統的熵只會大於零。

另外，從量子力學的海森堡不確定性原理可知，粒子的速度和和位置無法同時知道。而如果粒子的溫度降到絕對零度，它的速度為零，處於靜止狀態，這就違背了不確定性原理。因此，絕對零度是不可以達到的。

而在1951年，物理學家愛德華·珀塞爾（Edward Purcell）提出了負溫度的概念。那麼，什麼是負溫度呢？是指溫度低於絕對零度嗎？

負溫度不是指低於絕對零度的溫度，事實上，負溫度比正無窮的溫度還高。這裡我們先要了解一下物理化學中熵的概念。熵表示系統的混亂度——混亂度越高（有序度越低），熵越大；有序度越高（混亂度越低），熵越小。

能量與熵的關係圖

前面我們已經說到，分子運動越劇烈，溫度就越高，那麼體系的能量和混亂度也越高，從而熵也越大（根據熱力學定律，熵對能量的偏導數等於溫度的倒數）。然而，當體系的能量增加到無限時，處於最高能及的粒子越來越多，系統的混亂度達到最大之後開始下降，出現粒子數反轉的情況。

通過數學處理可知，此時出現了負熱力學溫度（如上圖右側所示）。當然，負溫度並非是宏觀物體的狀態，而是描述微觀粒子能量反轉的數學表述，負溫度其實是大於正無窮溫度的。

從而，我們可以知道，隨著體系能量的增加，溫度從絕對零度的右極限升高至正無窮大，然後再跳到負無窮大，之後再不斷上升至絕對零度的左極限。

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