Én a legjobban a kombinatorikai magyarázattal és a bináris atommal értettem meg a negatív abszolút hõmérsékletet.
Képzeljünk el olyan részecskéket, amiknek összesen két energiaszintjük van. Következésképp az egyik nagyobb a másiknál. Namármost ebbõl van N darab, õk alkotják a rendszert.
Kiindulásképp az összes alapenergián, vagyis az alacsonyabbik energián van, vagyis az energia minimális. Ekkor az entrópiája a legkisebb, hiszen ez csak egyféleképp jöhet létre, az összes részecske az alsó energiaszinten áll.
Elsõ lépésként adjunk a rendszernek annyi energiát, amennyi elegendõ egyetlen atom magasabb energiaszintbe ugrásához. Ekkor egyetlen részecske a magasabb energiára ugrik. Na de melyik? Akármelyik. Vagyis ezt a makroállapotot N-féle mikroállapot valósíthatja meg. vagyis megnõtt a rendszer entrópiája. Adjunk hozzá mégegyszer ennyi energiát, vagyis még egy részecske fog a magasabb energiára ugrani. Vagyis akármelyik két részecske lehet a magasabb állapotban. Ez már (N alatt a 2)-féleképp valósulhat meg, vagyis N*(N-1)/2, ami nagyobb N-nél, vagyis az entrópia tovább nõtt.
Azt történt tehát, hogy energia közlésével növekedik az entrópia, vagyis az egységnyi energiaváltozásra jutó entrópiaváltozás pozitív (lásd képlet), tehát a hõmérséklet pozitív.
Ahogy adjuk hozzá az energiaadagokat a rendszerhez, úgy fog egyre több részecske a magasabb energiaszintre ugorni, és ez egyre több kombinációt tesz lehetõvé, vagyis nõ a mikroállapotok száma, vagyis nõ az entrópia.
Egészen addig, amíg pont N/2 db részecske van a magasabb energiaszinten. Ilyenkor maximális az entrópia, most baromi nagy a hõmérséklet. Adjunk hozzá ismét egy energiaadagot, hogy még egy részecske a magasabb energiaszintre ugorjon: meg is történik. Vagyis most N/2+1 db részecske van magas energiaszinten, DE a lehetséges mikroállapotok száma CSÖKKEN, pontosan ugyanannyi, mint az N/2-1 gerjesztett részecske esetén. Az a középiskolából ismert matematikai szabály érvényes, hogy N részecskébõl ugyanannyiféleképp tudok N/2+1 -et kiválasztani, mint N/2-1 -et otthagyni. Ezt kombinatorikából így tanítják középsuliban:
(N alatt a k)=(N alatz az (N-k)).
Szóval mi is történt, energiát adtam a rendszernek, aminek hatására a mikroállapotok száma (vagyis az entrópia) csökkent. Ahogy adogatom az energiát, úgy egyre csökken az entrópia, mígnem az összes részecske a felsõ energiaszinten lesz, vagyis az entrópia újra minimális. Tehát az egységnyi energiaváltozásra jutó entrópiaváltozás negatív, tehát a képlet szerint a hõmérséklet negatív.
Ilyen kétállapotú részecskékként lehet felfogni a részecskék mágneses momentumát (spint). Vagy azonos irányba áll a térrel, és akkor nagyobb az energiája(1/2), vagy ellentétesen, és akkor kisebb(-1/2). A fenti kísérletben ezt csinálták, N/2-nél több spin állt ellentétesen a mágneses térrel, mint azonos irányban. Majd hirtelen átfordították a mágneses teret, ezzel tulajdonképpen felcserélték az energiaszinteket, és hirtelen N/2-nél több részecske spinje állt azonos irányban, mint ellentétesen, vagyis ebben az állapotban ha egy spint ellentétesbõl azonos irányba fordítottál volna (energia hozzáadásával), akkor csökkent volna az entrópia, tehát a hõmérséklet negatív volt.
Informatika és tudomány
